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纳机电系统(NEMS)器件具有高达GHz的谐振频率、105的品质因数、10-24牛顿的超高力灵敏度、10-17瓦的超低功率等特性,故NEMS纳米梁在谐振器、混频器、滤波器、生物化学传感器等方面有广阔的应用前景,是目前国际研究的热点课题之一,受到了广泛重视。单晶硅是集成电路的主要材料,硅微加工技术和设备先进、成熟,有强大的工业基础;同时硅材料具有较好弹性、抗疲劳等特点,因而硅纳米梁是NEMS十分基础又具有代表性的纳米梁之一。正是在这一前提下,本文设计了一种新型硅结构的NEMS混频器,采用静电驱动方式实现混频。论文的工作主要集中在混频器工艺制造和检测上。
本论文首先给出了纳机电系统的定义及其应用,并在此基础上概述了目前比较常见的NEMS混频器类型及其驱动、检测方法。详细描述了纳机电混频器的非线性振动理论和混频原理。论文设计了多种纳机电混频器结构,利用中芯国际的0.18μm CMOS工艺线成功制作了二维尺寸均在亚微米尺度的NEMS混频器,在本实验的超净间完成工艺流程中的金属铝湿法腐蚀以及结构的湿法释放。本论文讨论了在这两步工艺加工过程遇到的各种问题,如附加的Ti/TiN的腐蚀、结构过度释放和粘附等;提出了相应的解决方案,最终成功得到NEMS谐振器。
本论文采用Polytec激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)在真空和室温的环境下对NEMS混频器进行动态特性检测,激励方式为压电陶瓷激励及静电激励。真空环境下采用LDV系统自带的函数发生器提供的啁啾信号驱动压电陶瓷片来激励纳米梁振动,成功检测到一阶谐振频率为4.86MHz~13.38MHz的不同长度、不同结构的NEMS混频器的振动,Q值最高达8120。常温常压下,用幅值相等且频率差值在梁谐振点附近的交流信号静电激励一组H型纳米梁,成功测得梁的混频特性。