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微/纳电子机械系统(M/NEMS)具有小型化、低功耗、集成度高等优点,可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可嵌入大系统中,把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。基于掺杂硅压阻效应的MEMS器件研究已经有几十年的历史,并获得了广泛地应用。但是硅压阻效应存在灵敏度不够高,且电阻率变化对温度的依赖性较大等缺点,限制了其在高精度、高灵敏传感场合的应用。
本论文基于共振隧穿结构(RTS)的介观压阻效应,对GaAs基矢量水声传感器的设计、加工方法和测试等进行了研究。论文主要包括三个方面的工作:RTS的压阻系数标定、GaAs体加工工艺和水声传感器设计与测试。论文采用分子束外延(MBE)技术在半绝缘GaAs衬底上生长了GaAs/AlAs/InGaAs双势垒RTS,并加工出了具有明显微分负阻(NDR)效应的共振隧穿器件。分别采用显微拉曼-探针加压系统、离心机-Agilent4156C半导体特性分析仪测试系统和振动台-电桥解算电路系统对RTS的介观压阻现象进行实验测试,获得了较相近的最大介观压阻系数:10-9pa-1量级(NDR区);对GaAs基控制孔和腐蚀自停止体加工工艺进行了研究,设计并采用控制孔技术加工出了四梁-方块水声传感器基础结构;最后,在杭州应用声学研究所(715所),对封装后的矢量水声传感器指向性、频响和灵敏度等进行了初步测试。获得了较好的“8”字形矢量指向性和频响曲线,水声传感器的灵敏度在1KHz时达到-184.6dB。
本论文的创新点在于将量子阱共振隧穿材料与M/NEMS相结合,研究纳米尺度的力电耦合现象,并将其应用在矢量水声传感器结构中。优化GaAs基单步工艺,完善了GaAs基成套工艺,加工出介观压阻型M/NEMS器件。