（测试计量技术及仪器专业论文）nems测试中若干关键技术的研究.pdf

中文摘要 纳米梁谐振器是一种重要的n e m s 器件，在射频和传感等领域具有广阔的 应用前景。纳米梁谐振器的机械力学特性测试技术和动态特性测试技术是n e m s 测试技术中共性的关键测试技术，因此本文以纳米梁谐振器为测试对象，开展了 纳米梁谐振器机械力学特性测试以及动态特性测试两方面的研究工作，并通过测 试实验，对纳米梁谐振器的加工工艺和工作特性进行了评价和表征。 论文完成的主要工作包括以下几个方面： 1 、基于纳米压痕测试技术，利用a f m 的纳米压痕模块，对厚度为1 1 0 n m 的制造纳米梁谐振器的氮化硅薄膜材料硬度进行了测试。纳米压痕测试中通常采 用复杂的面积函数计算残余压痕投影面积，本文开发了一种计算残余压痕投影面 积的方法并编写了相应的数据处理软件，有效避免了由于小压深条件下面积函数 的置信概率较小，致使残余压痕投影面积计算值不可靠的问题。 2 、基于弯曲测试技术，利用a f m 对氮化硅和硅双端固支纳米梁的机械力 学特性进行了测试。对双端固支纳米梁的杨氏模量值进行了测量，测试数据具有 较好的一致性，验证了实验方法的可行性。在硅纳米梁的杨氏模量测试实验中， 本文针对硅纳米梁与基底间纳米量级间隙的特点，提出了种测量纳米梁厚度的 实验方法，并给出了具体操作和数据处理流程。最后，利用a n s y s 有限元分析 软件分析了加载点位置对测试结果的影响。在弯曲测试实验中，通过标定测试用 a f m 微悬臂梁的有效长度，从而修正了其弹簧常数。 3 、基于显微激光多普勒测试技术，利用多普勒测振仪对纳米梁谐振器的振 动特性进行了测试，对纳米梁谐振器件的器件性能进行了评价和表征。本文分析 了静电激励双端固支纳米梁谐振器的电学和机械等效模型，并分析了静电激励和 静电力之问的关系。通过对多普勒测振结果的分析可知，谐振梁的振动特性测试 曲线与理论分析具有很好的一致性。 4 、在基于a f m 测试纳米梁谐振器离面振动的研究中，本文分析了a f m 轻 敲模式针尖一振动表面相互作用的理论模型，这一模型较a f m 接触模式针尖一振 动表面相互作用的理论模型更为复杂。最后通过实验明确了a f m 测振技术对被 测样品的要求，并对基于a f m 和基于显微激光多普勒的纳米梁谐振器离面振动 特性的两种测量技术进行了分析和比较。 关键词：原子力显微镜，纳机电系统，纳米梁谐振器，纳米压痕测试，弯 曲测试，显微激光多普勒测振 a b s r t a c t n a n o b e a m sa r es i g n i f i c a n tn e m sd e v i c e sw i t hv e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nr fa n ds e n s i n ga r e a s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i z a t i o na n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g o fn a n o b c a mr e s o n a t o r sa r ec o n n n o nk e yt e s t i n gt e c h n i q u e si nn e m s t e s t i n g t a k i n g n a n o b e a mr e s o n a t o r sa st e s t i n go b j e c t s ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i z a t i o na n dm o t i o n c h a r a c t e r i s t i c t e s t i n g o fn a n o b e a mr e s o n a t o r sa r e p r o c e e d e d t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep r o c e s s i n gt e c h n i ca n dw o r k i n gp e r f o r m a n c e so fn a n o b e a m r e s o n a t o r sa r ee v a l u a t e da n dc h a r a c t e r i z e d k e yp o i n t sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w i n g 1 n a n o i n d e n t a t i o nt e s ti sc o n d u c t e do ns i l i c o nn i t r i d ef i l mw i t ht h et h i c k n e s so f 110 n mo na f mb a s e do nn a n o i n d e n t a t i o nt e s t i n gt e c h n o l o g y h a r d n e s sv a l u eo f s i l i c o n n i t r i d ef i l mi sc h a r a c t e r i z e d t h er e s i d u a li n d e n t a t i o na r e ai su s u a l l y c a l c u l a t e du s i n ga r e af u n c t i o n am e t h o do fr e s i d u a li n d e n t a t i o na r e ac a l c u l a t i o n u s i n gi sd e v e l o p e d t h ec o r r e s p o n d i n gd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ei sw r i t t e n t i l i s m e t h o de f f e c t i v e l ya v o i d st h eu n r e l i a b i l i t yo ft h er e s i d u a li n d e n t a t i o na r e a c a l c u l a t i o na tl o w e ri n d e n t a t i o nd e p t h u s i n ga r e af u n c t i o n 2 t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i eo f f i x e d - f i x e ds i l i c o nn i t r i d ea n ds i l i c o nn a n o b e a m s i sm e a s u r e do na f mb a s e do nb e n d i n gt e s t n l ey o u n g sm o d u l u so ff i x e d - f i x e d n a n o b e a mi sm e a s u r e d n l et e s t i n gd a t ah a v eg o o dc o n s i s t e n c y i tv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t yo f t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d i nt h ey o u n g sm o d u l u sm e a s u r i n gt e s t , a l l e x p e r i m e n t a lm e t h o do f m e a s u r i n gt h et h i c k n e s so f t h el l a n ob e a mw i mn a n og a p s i sp u tf o r w a r d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i l sa r eg i v e n f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo f t h el o a df o r c ep o s i t i o ni nb e n d i n g t e s t i n gi ss i m u l a t e du s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e i nb e n d i n gt e s t , t h es p r i n gc o n s t a n to f a f m m i c r oc a n t i l e v e ri s c o r r e c t e dt h r o u g ht h ec a l i b r a t i o no f i t se f f e c t i v el e n g t h 3 t 1 l ev i b r a t i o np r o p e r t i e so fn a n o b e a mr e s o n a t o r sa r ec o m p l e t e db a s e do nm i c r o l a s e rd o p p l e rm i c r o m e t e r t h ep r o c e s s i n gt e c h n i ca n dw o r k i n gp e r f o r m a n c e so f n a n o b e a mr e s o n a t o r sa r ee v a l u a t e da n dc h a r a c t e r i z e d 1 1 1 ee l e c t r i c a lm o d e la n d m e c h a n i c a lm o d e lo fn a n o b e a mr e s o n a t o r sa c t u a t e db ye l e c t r o s t a t i c ，a n dt h e r e l a t i o n s h i po ft h ee l e c t r o s t a t i cf o r c ea n dt h ee x c i t i n gv o l t a g e a r ea n a l y z c d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev i b r a t i o nc u r v e so ft h e r e s o n a t o ra r ea n o s t o m o t i cw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 4 r n l et h e o r ym o d e lo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na t o m i cf o r c em i c r o s c o p e 似f m ) t i p a n dv i b r a t i o ns u r f a c ea r ec o n s t r u c t e di nt h eo u t - o fp l a n ev i b r a t i o nt e s t i n g t e c h n o l o g yb a s e do na f m t h em o d e li sm o l ec o m p l i c a t e dc o m p a r e dt ot h e c o n t a c tm o d e l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ee x a c tr e s t r i c t i o no fv i b r a t i o n t e c h n i q u eb a s e do na na f mt o w a r d sv i b r a t i o nd e v i c e si sc o n f o r m e d r n l c c o m p a r i s o no ft h ed i f f e r e n c e so fv i b r a f i o nt e s tb a s e do na f ma n dm i c r ol a s e f d o p p l e rv i b r o m e t e ri sm a d ea tl a s t k e yw o r d s a f m ，n e m s ，n a n o b e a mr e s o n a t o r , n a n o i n d e n t a t i o n ，b e n d i n gt e s t , m i c r ol a s e rd o p p l e rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈变的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：徐瞄藏签字日期：加6 年g 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。l 司意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 徐瞄、 导师签名固 签字日期阳年8 月7 日 签字日期：功口6 年8 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳机电系统概述 1 9 5 9 年1 2 月，美国物理学家f e y n m a n 在加州技术学院举行的美国物理学会 会议上对纳米技术作出了一个振奋人心的预言。在报告中，他设想在原子尺度 上以我们想要的方式逐个操纵原子，给出了纳米技术的第一个定义。后人对纳米 科学与技术的定义有很多版本，但都不违背f e y n m a n 最初对其作出的定义的最 本质的内容。纳米尺度介于宏观和微观之问，属于介观尺度更接近于微观的部分， 迄今为止仍是人类非常陌生的领域，大量的新现象、新规律有待发现，充满了原 始创新的机会，是新技术发展的源头。纳米科技已不能归附于任何一门传统的学 科领域，人们必须重新审视、理解和创立新理论。纳米科技渗透到多个学科和领 域，形成了一系列新兴交叉学科，如纳米材料体系物理学、纳米化学、纳米电子 学、纳米生物学、纳米材料学、纳米机械学、纳米测量学等。如果以研究对象和 工作性质来区分，纳米科技必须包括纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表 征。材料是基础，器件是应用水平的标志，检测和表征是纳米技术研究与发展的 实验基础和必要条件。 1 1 1 纳机电系统的概念 纳机电系统( n a n o e l e e t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，n e m s ) 是基于m e m s 技术而 提出的概念。n e m s 是指在特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机 电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新 效应( 量子效应、界面效应和尺度效应) 为工作特征的器件和系统+ 。甚至可以 这样理解n e m s ：纳米尺度上的机械设备，电子器件，计算机和传感器。但是， 微观世界的一些特性使n e m s 系统和m e m s 系统区别很大“。首先，n e m s 器 件可以提供很多m e m s 器件不能提供的特性和功能，比如超高频率、低能耗、 高灵敏度、对表面质量和吸附性的前所未有的控制能力，以及在纳米尺度上的有 效的驱动方式。但是同时，在小尺度下产生的一些新的物理特性将影响器件的操 作方式和制造手段。与m e m s 系统相比，n e m s 对微加工技术提出了更高的要 求。具体说就是研究的材料范围更宽，加工过程的空间分辨率更高1 。 n e m s 技术潜在的巨大效益将渗透到科技发展的各个领域，从宏观到微观， 从医药技术到生命科学，从制造业到信息通讯，等等。世界各地的许多工程师和 科学工作者正在积极致力于这一领域的研究。 类新的n e m s 器件分辨率可以满足诸如传感、致动、射频( r f ) 、光学、 第一章绪论 生化和医学诊断等方面的应用。但n e m s 要真正的应用到生产生活的实际中， 需要我们以其为载体充分对纳米机械学进行研究，了解n e m s 的不同于宏观机 械构件甚至是m e m s 器件的特性。 纳米机械学是适应微型机电系统设计研究的需要而产生的一门学科。所谓纳 米机械学，就是研究纳米尺度对象的机械结构、特性及其测量分析，以及进行相 关微系统设计的学科。通常，机械工程包含机械学和机械制造学两大学科，它们 分别对应于机械系统从构思到实现所经历的设计和制造两个阶段。纳米机械学的 任务就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性 和设计理论与方法，并对系统进行功能综合和定量描述其性能的学科；它是通过 创新思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微型机电系统组 合机构的探索性学科。 根据微型机械的特点和发展情况，现阶段纳米机械学的研究范围主要包括： 研究机械中的运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机 构学；研究适用于制造微型构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应 和失效规律的微结构材料力学；从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面 上的作用、变化与损伤机理和对策的纳米摩擦学或微摩擦学；与纳米机械原理、 制造及应用相关的关键技术等。此外，还有将微机械学应用于研究特定机械系统 的如微型机器人等。因此，纳米机械学研究的内容不仅与微电子密切相关，而且 还广泛涉及到现代光学、气动力学、流体力学、热学、声学、磁学、自动控制、 仿生学、材料科学以及表面物理与化学等领域，所以纳米机械学又是一门多学科 的综合技术。可见，纳米机械学与纳米技术的其它分支相互渗透相互依存。 然而，n e m s 领域的研究还只是刚刚起步，距离真正的可以应用于实际的阶 段还相差很远，许多研究机构都在从最基本的纳米结构开始研究，如纳米梁，纳 米桥，纳米管，纳米薄膜等。以纳米结构作为载体，纳米尺度测试技术为手段， 我们可以对纳米机械学进行探索性研究。 1 1 2 纳机电系统的特性 1 、超高频率 n e m s 可以在保留较高机械响应度的基础上获得很高的谐振频率，这两种特 性的组合带来的效应可以直接转换为很高的力学灵敏度，超低功率下的可操作 性，以及在一种适度的控制力下产生有用的非线性化响应的能力。使机械系统在 自然角频率铷= m 玎下振动，这里，表示器件的有效弹性常数，弦谤表 示有效质量。如果在保持器件形状的基础上缩小其尺寸，器件的质量m 会以其e g 尺寸的立方缩小，而相应的弹性常数b 会线性缩小，这种状况会使频率变大， 而较快的频率意味着对外力的快速反应速度。也就是缩小器件尺寸可以不通过设 第一章绪论 计复杂的器件结构就可以获得较快的响应速度。加州理工大学研制的双箝位s i c 谐振器的频率可以达到1 3 4 m h z ，见图1 1 。 图1 - 1 双箝位s i c 谐振器 2 、超低功率 n e m s 器件的功率可以用热能和响应时间的比值来表达。具体公式如下8 ： 圪。k s t o o o q ( 1 - 1 ) 式中q 为品质因数，k r 为热能量，纯为工作频率。n e m s 系统的q 值通 常高达1 0 3 1 0 5 ，因此它的功率很小。目前通过电子束刻蚀技术加工成的n e m s 器件的功率可以d , n 1 0 。1 7 w 。基于n e m s 技术的信号处理器或者计算机系统所 消耗的能量理论上只有l a w ，这与当前同等计算能力的计算机系统消耗的能量 相比少了6 个数量级。为了充分利用n e m s 器件的低能耗这个特点，要求位移 传感器提供热电振动级别的分辨率。这可以理解为要求位移传感器内部产生的噪 音在反馈回输入端的时候，其振幅必须小于热电振动的振幅。 n e m s 器件的微小尺寸意味着它们具有很高的局部空间响应。其几何形状可 以被设计为只对某一方向的力产生响应。这个特性对于设计快速扫描隧道显微镜 至关重要。同时，器件振动部分非常小的质量使n e m s 对外加力的灵敏度大大 提高。可以用下面的公式简单估计n e m s 器件对外力的灵敏度。： o m i 一= ( a o m ) “a 纨 ( 1 - 2 ) 在通常情况下，这个灵敏度还可以表示为下面的形式： o m i 。= ( 2 m c o o ) ( c 0 0 1 2 q ) = m q ( 1 - 3 ) 式中m 表示谐振器的有效质量。目前，有的n e m s 器件可以获得l o - 2 4 的 分辨率。不过，这么高的测力灵敏度有一个很大的不利之处，它对器件的再现能 力提出了更高的要求。 3 、q 值 q 值通常指谐振器的品质因数。较高的q 值可以使器件对外部阻尼运动非常 敏感，这一点对于各种传感器有非常重要的影响1 。因为与电阻中的约翰逊噪声 相似的热噪声的大小与q 值成反比，所以较高q 值下的热噪声比较小，它还可以 第一章绪论 抑制随机的机械振动从而提高对外力的灵敏度，并因此对于反射和谐振传感器有 着更加重要的意义。在信息领域，高q 值就说明一个比较低的插入损耗和能量消 耗。n e m s 器件可以获得1 0 3 1 0 5 的q 值，这已经大大超过了只能提供几百q 值的典型电子谐振器。通常来讲，只有在高真空条件下，单晶硅上生成的谐振器 的q 值才有可能达到这种要求。但是，加州理工的r o u k e s 和他的研究小组加工 的多晶硅材料的谐振器的谐振频率达到了2 0 m h z “。较大的9 值不意味着带宽 将变窄，因为一个在1 g h z 下工作的谐振腔，它的q 值可能高达1 0 0 0 0 0 ，但是 还是可以获得一个1 0 k h z 的带宽。而且，用一个没有引入过大额外噪音的反馈 阻尼可以提高带宽。不过，器件外部和内部的一些特性限制了q 值。内部因素， 如材料接触面的缺陷、材料表面的吸附性等会影响谐振器的运动。外部因素，如 空气阻力、筘位误差等也会影响q 值的大小。采用理想的器件材料如没有缺陷的 单晶体和高纯度的异质结构，可以抑制能量的损失并因此获得更高的q 值。 1 1 3 纳机电系统的应用 1 、生物领域 许多酶可以充当分子电机，利用这一技术，可以生产杂交有机或无机的 n e m s 器件，进而生产腺苷三磷酸酶与n e m s 相结合的纳米尺寸器件。这项 技术将影响当前的纳米研究尺度，并且会大大带动杂交器件的发展。n e m s 技术 与生物领域的结合是伴随着一个被称为b i o n e m s 的新概念的出现而产生的。加 州理工大学和麻省理工学院的科学家团队正致力研究b i o n e m s 领域的纳米尺度 悬臂梁以鉴别生物体独一无二的动态标识。基于b i o n e m s 的生物芯片技术可以 用来检测生物领域微小力，具体的方法是用一个纳米尺度的悬臂梁感受配合基和 感受器之间的作用力检测生物分子之间的作用力，见图1 - 2 。n e m s 的研究者 们正在这个领域探索物理系统中与生物系统同尺度的问题，其成果对生物系统的 研究有十分关键的作用。 图1 2 用b i o n e m s 进行生物系统微小力的检测 2 、信息领域 当前的信息技术是基于半导体器件和磁盘的，在未来十年中，这些技术的发 展会达到其物理极限。而n e m s 或者m e m s 会成为下一代信息技术的主要载体 第一章绪论 一。例如，在可预期的未来，会产生分子超级计算机和在微波功率下工作的超低 能耗的信号处理器。i b m 苏黎世研究中心的e a v e t t i g e r 等人提出了a f m 阵列器 件的概念，这种器件可以提供超高的存储密度，几太( 1 0 ”) 字节的容量，几百 兆字节每秒的数据传输率。 n e m s 技术也会对射频( r f ) 电路的设计带来深远影响：，其主要的推动 力来自n e m s 提供的一个高质量的谐振器，它可以以很高的频率( 约1 0 m h z ) 振动，这是传统的集成电路无法做到的；同时，n e m s 器件在很小的振幅下就可 以显现出一些非线性机械特性。这有助于高灵敏度的谐振器或力传感器的开发。 n e m s 技术也在影响着无线通讯领域，比如法国l a a s - - g r e m o ( 电磁 微波研究中心) 的d u b u c 等人正在致力于基于n e m s 技术的电磁仿真和对电信 号精确描述的机械和热模型等方面的研究。 3 、纳米流体领域 许多化学和生物的反应是在液体环境下进行的。微流体系统可以使化学反应 系统小型化，也就是所谓的片载实验室系统。具体的方法是用微流体系统在一个 很小的通道内传输液体。、。在此基础上产生的纳米流体系统，其尺寸可以和流体 环境的相关尺寸( 包括分子的扩散长度，分子本身的大小等) 相当。在这个尺度 下，可以用外加电场对水中离子产生作用力，从而驱动和控制单个水分子的运动。 斯坦福大学的v a no u d e n a a r d e n 等人已经建立了一个尺寸可以与单个分子的散射 长度相当的不对称散射阵列器件 。h a n 和c r a i g h e a d 的研究小组可以通过建立小 于分子旋转半径的微结构来检测较大的d n a 分子。”。 可以看出，通过n e m s 系统可以开展一些单分子检测、分析及应用方面的 研究。这也是n e m s 系统所独有的能力。 1 2 纳机电系统测试技术国内外研究现状 n e m s 的设计方法、制造技术和器件的表征需要n e m s 测试技术的支持， n e m s 测试技术是研究优化n e m s 设计方法、评价n e m s 加工工艺和器件各种 特性的必要手段。对n e m s 器件的测试通常可分为静态形貌测试，机械力学特 性测试，运动特性测试和可靠性测试技术。 1 2 1n e m s 器件的静态形貌测试 扫描电子显微镜镜( s e m ) 具有纳米级分辨率，可利用这种仪器对固体材料 n e m s 器件进行静态形貌测试。扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成 像。成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子，其中二次电子是最主要 的成像信号。将对应二次电子信号的数据，记录到射线照射位置坐标对应的画像 数据到存储器中。记录在存储器中的画像数据可以在电脑显示器上显示，于是可 第章绪论 以观察射线照射领域的显微镜图像。“。图1 3 为日本电子光学公司的 j s m 5 6 0 0 l v 型扫描电子显微镜7 | ，它的分辨率为3 5 r i m ，用于对各种固体材料 进行表面形貌的观察。扫描电镜要求被测材料为导体或半导体，对于绝缘材料要 在测试前对其表面喷金层。其优点在于可实现对材料的非接触测量，扫描速度较 快。但扫描电镜只能对样品表面形貌进行定性的分析，不能得到其量化指标。 图l - 3 扫描电子显微镜系统图 与s e m 相比，原子力显微镜( a f m ) 可对表面状况较好的器件进行静态形 貌测试。a f m 利用其探针和样品之间的相互作用，通过测试悬臂梁的偏转得到 样品表面形貌的三维信息。d i m e n s i o n 3 1 0 0 型号的a f m 的面内分辨率可达0 1 n m ， 垂直分辨率可达o 0 1 n m4 “。但a f m 测试样品表面形貌时，针尖与样品表面之 间存在着机械相互作用。测试中要注意根据样品的性质合理选择仪器的工作模式 及扫描参数，以保证针尖对样品损伤最小，成像效果最佳。 1 2 2n e m s 器件的机械力学特性测试 当构件细微到纳米尺度后，材料本身的力学、物理性质及其受环境的影响程 度有显著变化，会出现强烈的尺寸效应7 、表面效应等8 。因此对n e m s 的设计者而言，掌握纳米尺度机械力学特性的信息是必需的。 m e m s 机械力学特性的现有测试方法主要有压痕划痕、弯曲、拉伸和扭转 四大类。针对n e m s 的纳米量级尺寸的限制，装夹工具与装夹方法的不易实 现性，其机械力学特性的测试方法目前主要采用上述方法中的弯曲测试、压入 划入测试两大类。目前n e m s 机械力学特性的基本的力学性能参数包括弹性模 量、残余应力、断裂韧度、屈服强度、抗弯强度、疲劳强度、压入硬度和模量等 。测试仪器主要有原子力显微镜( a f m ) ，以及纳米压痕仪( n a n oi n d e n t e r ) ，利用这两类精密仪器可对上述机械力学参数及几何参数进行测试，指导设计 和加工。 第一章绪论 目前，国外涉及n e m s 机械力学特性测试的研究机构很多，其中美国俄亥俄 州立大学信息存储和m e m s n e m s 纳米摩擦实验室7 ( n a n o t r i b o l o g yl a b o r a t o r y f o ri n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dm e m s n e m s t h eo h i os t a t eu n i v e r s i t y , u s a ) 同时在 开展基于a f m 和基于纳米压痕仪器进行n e m s 机械力学特性测试的工作：美国 阿肯色州立大学机械工程系( d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，u n i v e r s i t yo f a r k a n s a s ，f a y e t t e v i l l e ，u s a ) ，澳大利亚r m i t 大学电子与计算机工程学院( s c h o o l o f e l e c t r i c a la n dc o m p u t e re n g i n e e r i n g ，r m i tu m v e r s i t y ，a u s t r a l i a ) 等正在进行基 于a f m 的n e m s 机械力学特性测试的研究工作”；日本东京技术学院精密智能 实验室( p r e c i s i o na n di n t e l l i g e n c el a b o r a t o r y , t o k y oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , j a p a n ) ， 韩国电子工程与计算机科学学院( s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e r s c i e n c e ，s o u t hk o r e a ) 等正在进行基于纳米压痕仪器的n e m s 机械力学特性测试 的工作。= “。 从事n e m s 机械力学特性研究的国内研究机构起步较晚，主要有中国科学院 力学研究所非线性力学国家重点实验室“，上海冶金所国家重点实验室“，天津 大学等。 1 2 3n e m s 器件的运动特性测试 动态特性测试技术在n e m s 研究过程中具有最为重要的意义。首先，n e m s 的动态特性决定了n e m s 器件的基本性能；其次，n e m s 微结构三维微运动情 况、材料属性及机械力学参数、n e m s 可靠性与器件失效模式、失效机理等关键 问题均可间接通过m e m s 动态测试技术加以解决；同时，通过动态测试技术， 还可以研究一系列相关的基础理论问题。因此，m e m s 动态测试技术近年来得 到了国内外许多m e m s 研究机构的高度重视“。 在纳米尺度下微小器件结构的驱动以及检测是非常困难的。目前，在实验室 条件下，对n e m s 谐振器振动特性的测试技术主要包括电学方法“、光学方 法1 ”j 以及基于a f m 的机械检测方法一一。电容检测方法“。是典型的电学 方法，该方法利用谐振结构与衬底电极之间的静电力的变化，激励n e m s 谐振 器起振，通过检测谐振结构与衬底电极之间电容变化来研究n e m s 谐振器的工 作特性。这种方法驱动与检测采用的设备相对简单，但是为了避免寄生并联电容 的影响需要非常复杂的电子机械调幅模块电路。除此之外，还可以利用洛仑兹 力激励谐振器起振“，通过检测谐振器两端产生的感应电动势来分析研究n e m s 谐振器的工作特性。这种方法可以通过控制输入信号幅度和外加磁场强度两个参 量调整谐振器的工作状态，但是对实验条件要求较高。频闪相移干涉法属于光 学测振方法，可用于n e m s 谐振器离面振动测试，但是如果n e m s 谐振器较高 的谐振频率超过了频闪相移干涉法的测试带宽范围，就不能采用这种方法进行测 第一章绪论 量。显微激光多普勒测振方法4 。”除了具备一般光学方法非接触测量的特点之 外，还有测量精度高、频带范围广以及对环境条件要求不高等优点。但由于衍射 极限的存在，使得光学方法的分辨率仅能达到半波长左右，不能对具有纳米宽度 的梁谐振器进行测试，但可以测试厚度在纳米量级而宽度在微米量级的n e m s 谐振器的振动特性。原子力显微镜可达到纳米级分辨率，且具有多种灵活的工作 模式，轻敲模式下针尖和样品之间的相互作用远小于接触模式。由于原子力显微 镜微悬臂梁带宽较低，当样品振动频率超过原子力显微镜的微悬臂梁的带宽， a f m 便可以在测试过程中记录下纳米梁的谐振振幅的包络。固基于原子力显微 镜的测振技术对被测振动没有频率上限的要求，理论上可实现具有高分辨率的高 频振动测试。但a f m 在测振过程中针尖振动表面问不可避免的存在着机械耦 合，如何降低这种耦合作用以及如何建立a f m 针尖一振动表面相互作用理论模 型，分析和找到如何减小耦合作用的途径显得尤其重要。 目前，东京大学( t h eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 正在进行基于a f m 轻敲模式下 m e m s 谐振梁谐振特性的测试工作“3 ；加州大学伯克利分校机械工程系 ( d e p a r t m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，b e r k e l e ys e n s o ra n da c t u a t o rc e n t e r , u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i aa tb e r k e l e y ) 正在进行基于a f m 接触模式下m e m s 薄膜 谐振器谐振特性的测试工作，以及基于扫描激光干涉仪的体波谐振器谐振特性的 测试工作”“”；牛津大学材料系( d e p a r t m e n to f m a t e r i a l s ，u n i v e r s i t yo f o x f o r d ) 正在进行基于超声力显微镜( u f m ) 的接触模式和非接触测试谐振梁的表面振 动。“1 ：法国c h r o n o m e7 t r i e 大学压电实验室( l a b o r a t o i r ed e ，e l e c t r o n i q u ee t p i e7 z o e i c c t r i c i t e 7 ， e c o l en a t i o n a l e s u p e 7 r i e u r ed em e 7 c a n i q u e e td e s m i c r o t e c h n i q u e s ) 正在基于改进的a f m 的力曲线模式音叉谐振特性的测试工作 ”；贝尔实验室( l u c e n tt e c h n o l o g i e s ，b e l ll a b o r a t o r i e s ) 正在进行基于改进的 a f m 的接触模式下薄膜谐振器谐振特性的测试工作”。；k a u n n a s 技术大学振动 技术研究中心( r e s e a r c hc e n t e rv i b r o t e c h n i k a ，k a u n n a su n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 正在进行基于原子力显微镜的力曲线模式和示波器模式下压电平板振动特性的 测试工作“；t t l b i n g e n 大学应用物理所( i n s t i t u t eo f a p p l i e dp h y s i c s ，u n i v e r s i t yo f t u b i n g e n ) 正在进行基于用原子力显微镜的激光检测p s d 测悬臂粱振动的研究 z o 基于a f m 的测振技术国内研究机构尚未涉足，但有一些单位利用激光多普 勒测振技术对谐振器的振动特性进行研究。如天津大学? 、中科院上海冶金所。” 等。 1 2 4n e m s 器件的可靠性测试 n e m s 技术尚未取得成功应用，其中的一个原因是n e m s 系统的加工需要很 r 第一章绪论 多新技术和新方法，包括设计，测试，封装和可靠性方面的研究。尤其后面的几 步通常是开发新n e m s 必须要考虑的问题。早期的开发主要把精力放在设计、 性能和可行性上，而没有重视可靠性的研究。实际上，可靠性问题才是延迟产品 开发的主要问题，并且需要耗费很高的成本。 n e m s 的可靠性研究比较复杂，一个重要原因是：由于新材料和加工方法的 应用，有关材料特性的数据、失效模式机理、进行可靠性测试的方法以及相应的 失效分析都是未知的。与i c 领域便利的可靠性和失效分析测试以及标准i c 芯片 封装相比较，n e m s 的可靠性分析工具和方法明显缺乏。虽然其中有些技术可以 直接运用到n e m s 研究和封装上来，但有些关键的技术对于n e m s 来说是独特 的。另一个原因是：基本上现有的有关n e m s 可靠性的研究都是针对某个特定 的微系统的，不能在另外的应用中使用。可靠性指的是在一定的时期内，某器件 在一定的条件下实现所要求的功能的可能性。对于n e m s 来说，这个定义必然 意味着它的可靠性基本上由其应用来决定，所以其可靠性分析与环境测试是密不 可分的。总而言之，n e m s 的可靠性分析就是测试在一定环境因素的影响下， n e m s 结构的特性参数随之发生的改变，以及由此可能导致的失效模式及其机 理，并将测试的结果反馈来指导n e m s 的设计、制造、封装和存储等方面。 为了研究n e m s 系统的可靠性，我们必须了解其失效特性以及促成失效的 原因。只有知道了n e m s 的失效模式，才能开发出可靠性测试的方法论来研究 这些模式和其统计分布，之后才能确定寿命预测模拟，研究环境参数对特定失效 模式的影响，并给设计者和加工者以反馈来提高n e m s 的可靠性。 m e m s 的几种典型失效模式及其机理为粘附、磨损和摩擦、机械断裂、蠕 变和疲劳、电解质充电失效、污染和封装、振动、冲击、潮湿、温度变化、辐射、 微粒、静电放电等“。针对n e m s 发展的特点，我们可以对简单n e m s 结构( 如 纳米梁等) 进行可靠性的初步研究。对于纳米梁结构，我们可以研究周期性循环 载荷下结构的疲劳特性。大多数的金属和合金在承受了较大的并且反复的机械应 力时会发生疲劳并导致退化。但金属薄膜( 包括纳米梁结构) 通常比其在大尺寸 下的结构更不容易出现疲劳现象。大尺寸的结构在经过足够的损伤堆积后，材料 表面会出现断层位移从而形成疲劳裂纹。而薄膜材料内部没有这些颗粒边界和缺 陷，因为它们通常只有一个或几个晶粒的厚度，所以没有足够的损伤堆积来形成 裂纹。但是我们必须考虑其在高周期应力时出现的可能性。 1 3 选题背景与论文的主要工作 目前，纳电子机械系统( 1 q e m s ) 的加工工艺逐步得到了重视，而如何评价和 优化其加工工艺成为了n e m s 进一步发展的关键。这对n e m s 加工工艺和器件 性能的测试技术和表征方法提出了更高的要求。器件加工工艺的评价和器件性能 第一章绪论 的表征主要依靠机械力学特性的测试和动态特性的测试。 纳米梁谐振器是一种重要的n e m s 器件，与微米梁谐振器相比具有超高频 率、超低功率、高品质因数、高质量灵敏度等显著特点，在射频、传感领域具有 广阔的应用前景。当微小质量的物质或粒子吸附在纳米梁谐振器的表面可以引起 其谐振频率的改变，由此实现微小质量的检测。若在其表面镀上某种物质的吸附 层，便可实现对特定物质的检测，依据这一原理可以制成生物传感器，如病毒传 感器、蛋白质传感器等。由于纳米梁谐振器的上述特点，对它的研究可以从机械 力学特性测试、谐振特性测试两个方面展开，涵盖了n e m s 测试中若干共性的 关键技术。因此本课题将以纳米梁谐振器为测试对象，对其进行以上两方面的测 试。通过测试方法的研究来评价器件的加工工艺和器件的性能。 测试技术在n e m s 研发过程与产业化过程中具有重要的现实意义。但目前 n e m s 的测试手段尚不成熟，主要是借助于m e m s 测试中应用到的手段和技术。 但m e m s 测试技术并不是全部适用于对n e m s 的测试与表征，如光学方法的衍 射极限制约了它对纳米量级结构的测试能力；电容检测存在杂散电容，使得测试 电路非常复杂。真正意义上纳米尺度的测试工作首先要求仪器具有纳米量级的分 辨率和定位精度，并且要实现纳米梁谐振器的全面测试要求仪器使用灵活方便， 易于升级改造。故