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纳机电系统技术(NEMS)是微机电技术(MEMS)的发展,通过利用纳米结构的表面效应、尺度效应等可以实现新型器件,以提升现有器件的性能。压阻检测是在MEMS系统中很常用的检测技术。针对压阻检测在NEMS结构中遇到的一些问题,本论文分别在以下几个方面做了一些工作。
器件检测方面,提出了基于MOS电容衬底压阻传感器的检测方案,通过设计屏蔽式封装结构,以及搭建低噪声、高放大增益、高带宽的检测电路,解决了信号电磁耦合串扰以及噪声干扰的问题。通过理论计算得到检测系统的固有噪声,满足检测要求。最终实现了对该双端同支纳米梁输出的微弱信号的检测,能得到经压电陶瓷片驱动的梁的位移。检测结果为该结构在常温常压下的Q值为197,谐振峰频率为3.96 MHz,输出端检测灵敏度为0.73 mV/nm。
器件结构方面,针对MOS电容衬底压阻传感器存在的一些缺点,提出了改进的MIS电容衬底压阻结构。该方法是通过在纳米梁上方制作更簿的绝缘层(氮化硅)和金属层,与纳米梁形成MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)电容结构,利用MIS电容形成的空间电荷区下的梁部分作为力敏电阻实现纳米梁的位移检测。该结构在纳米梁上用氮化硅取代了栅氧化层,降低了对栅氧化层保护带来的工艺复杂性,并且由于绝缘层和金属栅极的厚度减薄,可以显著提高检测灵敏度和纳米梁谐振的品质因数。
阻尼的理论研究方面,开展了稀薄气体热压膜阻尼模型的理论计算。采用能量守恒与质量守恒方程计算热效应与气体流动,得到了简化模型的级数解,与实验吻合得较好。并采用逐步细化的方法,将已建立的简化解析模型拓展为二维解析模型,采用解析方法或数值方法求解。得到了最终得到极板的温度和粒子浓度的分布情况以及Q值。