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浙江大学硕士学位论文：微纳机电谐振器特性研究 摘要 近年来，微小尺度的微机械传感器由于具有多种重要的特性和应用而备受 人们的关注。而以微机械传感器中最有吸引力工作方式一谐振方式工作的微机 电谐振器也得到了广泛的研究。伴随着尺寸的缩小，纳机电谐振器也应运而生。 本论文选取自己实验室设计制作的三种结构的微，纳机电谐振器为对象，对 谐振器的静态、动态及辐照特性进行了研究。三种结构分别为微尺寸的悬臂梁 一质量块结构和折叠梁质量块结构，纳尺寸的两端固支梁结构，其纵向尺度达 到1 0 0 r i m 。研究的主要内容和结论如下： 结合理论分析了悬臂梁质量块谐振器和折叠梁质量块结构中谐振部分的运 动方程及系统振动时的有效谐振频率。利用应力分布与位移的关系，理论估算 了压阻效应，为谐振器的设计提供了参考。推导了基于m o s f e t 原理工作的纳 尺寸谐振梁沟道电流的表达式。引入了梁运动时的等效栅压，利用软件仿真了 引入等效栅压后，一定频率栅压控制作用下谐振器发生振动后的沟道电流频谱。 对微机械谐振器进行了静态测试和动态测试。得到了两器件扩散电阻的压 阻效应分别为6 和1 8 5 0 0 。测得在高真空条件下悬臂梁质量块系统的谐振频率 为1 0 6 3 5 0 k h z ，折叠梁质量块系统谐振频率为2 0 8 2 0 k h z 。 纳机械谐振器的静态测试得到了m o s f e t 效应。得到的沟道电流随栅压和 漏源电压的变化符合典型m o s f e t 的输出特性。谐振器的稳定性测试说明了纳 机电谐振器在空气环境下不稳定，在持续通电的情况下器件容易损坏。在真空 环境中器件稳定性较好。为了消除寄生信号的影响，给出了一种差频检测方法， 并证实了可行性。 进行了微机械谐振器c 0 6 0 r 射线和电子的辐照实验。辐照结果表明y 射线 辐照下谐振器机械特性受到了影响，谐振频率下降，输出频率曲线劣化。理论 分析了实验结果，确定了整个辐照损伤进而导致机械性能变化的关系链。 通过本论文的工作，成功测得了微米尺寸的谐振器的动态特性。测得了纳 米尺寸谐振器的静态m o s f e t 效应，为m o s f e t 检测方法的应用提供了基础。 对谐振器机械特性的辐照损伤研究工作也为谐振器的抗辐照研究提供了一定的 理论和事实依据。 关键词：n e m s ，谐振器，m o s f e t 检测，压阻检测，辐照 浙江大学硕士学位论文；t l t t i ! 机电谐鬟嚣特性研究 a b s t r a c t r e c e n t l yy e a r s ，m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i sc o m m o n l yu s e di n m a n yk i n d so ff i e l d , a n ds oi ta t t r a c t sm u c hi n t e r e s t so fr e s e a r c h e r s r e s o n a t o ri st h e m o s ta t t r a c t i v es y s t e mi nt h em 聃s e n s o r w i 也t h e r e d u c i n go ft h ed e v i c e ss c n l e , n a n o - e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m0 咂m s ) r e s o n a t o r sa r ea l s ob e e nw i d e l y r e s e a r c h e d w ec h o o s e ds e v e r a lk i n & o f r e s o n a t o r s w h i c hw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e db y o u r s e l v e s t h e r ea r ei n c l u d e dt h r e ed i f f e r e ms t r u c t u r e s ，w h i c ha f r oc a n t i l e v e r - m a s s s y s t e m , f 0 1 d i n gb e a m - m a s ss y s t e mw i t hm i c r o m e t e rs c a l ea n dc l a m p e d - c l a m r i e d b e a ms y s t e m 谢t l ln a n o m e t e rs c a l e m a i nc o n t e n t sa n df e a t u r e so f t h i st h e s i sa r e 鹤f o l l o w s ： t h ef o u n d a t i o nt h e o r ya n dt h es t r n e t u r eo ft h e 强幅悄e m sr e s o n a t o r sw e r e s t u d i e d s y s t e m a t i c a u y m s m s o n a t o r so r e e l e c t r o s t a f i c a l l y d r i v e na n d p i e z o r e s i s t i v e l yd e t e c t e d t h eb e n d i n gv i b r a t i o ne q u a t i o no ft h es e n s o rp mo fa l lt h e r e s o n a t o r sw e r ec a l c u l a t e d , a n dt h ep i e z o r e s i s t i v e l yw e r ea l s oe s t i m a t e & t h ec u r r e n t o ft h ed a m p e d - c l a m p e db e a mo fn e m sr e s o n a t o r , w h i c h 嘲d e s i g n e db a s e d t h e t h e o r yo ft h em o s f e t , i sa n a l y s e & w h e nt h eb e a mi sv i b r a t i n g ，t h eg a t ev o l t a g e m u s tb ec a l c u l a t e dt ot h ee f f e c t i v eg a t ev o l t a g e s ot h ee q u i v a l e n tg a t ev o l t a g ei s s t u d i e d , a n ds y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e d t h ef e a t u r e so fa l jt l l e f e m sr e s o n a t o r sw e r em e a s u r e di n c l u d e dt 1 1 e i fs t a 矗c s t a t ea n dd y n a m i cs t a t e t h ep i e z o r e s i s t i v ee f f e c to fc a n t i l e v e r - m a s ss y s t e ma n dt h e f o l d i n gb e a m - m a e ss y s t e mi s6 a n d1 8 r e s p e c t i v e l y a n dq u a l i t yf a c t o r 罄h i 曲 勰4 8 3 4w h e nt h er e s o n a t o rf r e q u e n c yi s1 0 6 3 5 k h zf o rt h ef i r s ts y s t e mw h e nt h e y a r em e a s u r e du n d e r1 6 m p av a e l l u m f o rt h es e c o n ds y s t e m , t h o s ep a r a m e t e r sa r e2 5 8 a n d2 0 8 1 6 k h z t h em o s f e tf e a t u r e so ft h en e m sr e s o n a t o rw e r ep r o v e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l 招i n d i c a t e dt h a tt h en e m sr e s o n a t o r sa r es t a b l ei nt h ev a c u u mb u ti t sn o ts oi n t h ec i r c u m s t a n c eo fa i r i na d d i t i o n , r e s o n a m rw a se a s i l yb e e nd e s t r o y e dw h e nt h e c o n t r o lv o l t a g ew a ss o s t e n u t oo n i no r d e rt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h ec o u p l i n g s i g n a l ，ad o w n - m i x i n gs i g n a ld e t e c t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d ，a n dt h e ni tw a sp r o v e d f e a s i b l e t h er a d i a t i o nd a m a g ee x p e r i m e n t s w h e n 血em e m sr e s o n a t o r sw e r ee x p o s e d t ot h ee l e c t r o na n dy - r a y s ，s h o w st h a tt h em e c h a n i c a le h a r a c t e r i s t i ca n dt h e f r e q u e n c ys p e c t r u mo f t h er e s o n a t o r sa r es e n s i t i v et ot h er a d i a t i o nd o t h er e s o n m o r 2 浙江大学硕士学位论文：截，纳机电谐鬟嚣特性研究 缸q u c n c yr e d u c e dw h e nt h ed o s eo f t - r a y si n c r e a s i n g b a s e do i l1 l l er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t s , 1 h ed y n a m i cf e a t u r e so ft h em 匠m 8 r e s o n a t o r sa r es u c c e s s f u l l yo b t a i n e d a n dt h en e m sr e s o n a t o r sa l s os h o w e dt h e m d s f e te f f e c t s t h er e s u l t sc o u l db e 也er e f e r e n c eo f t h em o s f e te f f e c td e t e c t i o n t h er a d i a t i o nt e s tr e s u l t sa l s op r o v i d e dt h en h e o r ya n df a c t u a l 百s t k e yw o r d s ：n e m s r e s o n a t o r , p i e z o r e s i s t i v e l yd e t e c t i o n , m o s f l z rd a e c f i o n , r a d i a t i o nd a m a g e 浙扛大学颈士学位论文tt l t 纳机电谐攮器特性研究 1 1t l t l 纳机电系统简介 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代以来，微电子技术的迅速发展为宏观机械的微型化带来 了新的机遇。随着微，纳米技术成功应用于大规模集成电路的制作，以集成电路 工艺和微机械加工工艺为基础的微型机电系统脱颖而出，并逐渐获得日益广泛 的应用。 微电子机械系统( i v f i c r o e l e c t r o i c - m e c h a n i c a ls v s t e m 。m e m s ) 是指利用微 机械加工技术，在硅衬底上把可以批量制作、尺寸在1 岬1 i n m 的微型机构如 激励器、传感器和执行器等集成于一体的微型器件或系统。m e m s 一词来源于 1 9 8 9 年美国国家自然科学基金会( n s f ) 主办的微机械加工技术讨论会的总结 报告 m i c r o e l e c t r o nt e c h n o l o g ya p p l i e dt oe l e c t r i c a lm e c h a n i c a is y s t e m m e m s 系 统具有体积小、成本低、易于集成和批量生产等特点，同时由于其制作过程可 以与c m o s 工艺兼容，微机电系统已广泛应用于军事、通信、汽车工业、航空 航天、生物医疗等众多领域。 继m 盼鹤后，9 0 年代末提出了纳机电系统( n a n o e | e c t r o m cm e c h a m c a s v s t e m , n e m s ) 的新概念，n e m s 是在系统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、界面效应和纳米尺度效应) 为工作特征 的器件和系统。它能提供很多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。作为2 l 世纪的新兴科学，纳米科技的飞速发展 将对材料、器件、系统以及加工技术带来根本性的变革。 1 1 1 微纳机电谐振器简介 随着微机械系统技术的不断发展与合作，硅微机械传感器应运而生，而在 硅微机械传感器的各种工作方式中，最有前途、最具吸引力的是谐振工作方式。 因为硅微机械谐振传感器输出为谐振频率信号，这种谐振信号一方面易于实现 与计算机的数字接口，另一方面频率信号在传输时不易失真。因此作为微纳系 统研究的基本结构单元和典型器件，微纳谐振器以其独特的结构。超小的体积 与质量，超低的功耗，超高的灵敏度以及在纳米尺度表现出的特有性质，引起 了人们极大的兴趣和广泛的关注。随着科学技术的不断发展与进步，n e m s 谐振 器有望广泛应用于纳米探针的制作，单电子电量、单分子质量等物理量的检测， 高灵敏度生物、化学传感器以及无线通信和全光无线通信系统中的关键器件的 研制等各个不同领域。例如，美国业已开展采用n e m s 谐振器代替射频信号处理 6 浙江大学硕士学位论文t 徽，纳机电谐振嚣特性研究 芯片外的电感电容的关键技术。不难想象，今后的射频无线通信设备将缩小到 一枚戒指上，并且实现大规模批量生产以极低的成本向大众推广普及。 硅微，纳机电谐振器的主要性能特点及参数可概括为如下几点【1 l ： l 、特征尺寸( l ) 微机电谐振器满足至少在一个维度上的尺寸小于l m m ，而对纳机电谐振器， 这个尺寸缩小到1 0 0 n m ，随着l 从微米减d , g j j 纳米尺度，表面积体积比( s ) 会变得很高，表面效应会变得非常显著。 2 1 有效质量 表征谐振器实际参与振动部分结构的质量，随着尺寸的缩小，器件的有效 质量将以尺寸三次方量级缩小，纳米尺寸的谐振器比微米尺寸的谐器具有更小 的有效质量。 3 1 谐振频率( f ) 表示谐振器处于谐振状态时的工作频率。对于梁结构谐振器。其谐振频率f 与n 之间满足：f f 二i v 埘旷 其中，k 为与材料有关的常数。如果在保持器件形状的基础上缩小其尺寸， 器件的质量会以其尺寸的立方缩小，这种状况会使频率变大，而较快的频率意 味对外力的快速反应，也就是缩小器件尺寸可以不通过设计复杂的结构就可以 获得较快的响应速度。纳机电谐振器具有极小的m a r ，因此具有极高的谐振频率。 现在可以用表面纳米加工技术生成基频在i o g h z 以上的谐振腔。加州理工大学的 r o u k e s 和他的研究小组从多晶硅上生产出的谐振器谐振频率达到了2 0 k 。 4 、品质因数q 值( q u a l i t yf a c t o r ) 表征谐振器工作特性的重要参数，q 值越高则表明谐振器的选择性越好、 损耗越小，通常微，纳机电谐振器具有很高的q 值。好的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。因为与电阻中 的j o h n s o n 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 器件可以获得高达1 0 0 0 0 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 5 ) 特征功耗水平( p m 缸) p m i 吐表征谐振系统在克服系统热波动工作时的最小功率，它与q 值满足以下 关系式： 儿h “可k s t c o o g 其中：硒为玻尔兹曼常数，t 为n 谐振系统的绝对温度，a ) o 为谐振角频率。微 7 浙江大学硕士学位论文i 锄纳机电谐振嚣特性研究 纳机械谐振器的q 值通常高达1 1 0 3 _ 1 1 0 5 ，因此它的功率很小。目前通过电子 柬刻蚀技术加工成的n 酞舔器件的功率可以小到1 x l o - 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只有l g w ，这比当前同等计算能力的计算 机系统消耗的能量少了6 个数量级。 1 1 2 微纳谐振器的典型结构 由于微纳谐振器重要的应用价值，目前，国内外对该类器件的工艺、特性、 应用等方面均已开展广泛研究。目前研究较为广泛的微纳机电谐振器，按照其 结构与典型工作状态，主要可分为以下两类。 1 ) 工作在扭转模态下的浆片结构微纳机电谐振器 此类谐振器将其浆片部分通过具有纳米尺寸的支撑杆与衬底相连，在静电 力等的激励作用下，工作在扭转模态。图1 1 是e v o y 等人提出的一种桨片结构 的纳机电谐振器 2 1 ，在随后采用激光参量放大法对此类结构的谐振器进行测试 时，观察到了机械谐振信号对激光信号的调制现象，这一发现，为n e m s 谐振器 在光通信领域作为无源激光调制器的应用开辟了道路。 图1 1 工作在扭转状态的谐振器 工作在弯蓝模态下的梁结构微纳谐振器 此类谐振器，又可分为两端固支梁和悬臂梁两种结构，主要工作在弯曲模 态下。图1 2 ( a ) 所示的由n a b e l e 等人提出的m e m s 谐振器就属于两端固支梁结构 p 】，此谐振器利用场效应管的工作原理实现谐振器驱动，所测得的谐振频率为 1 6 0 1 m h z 。工作时梁部分在驱动下横向运动。图1 ，2 所示的是d o v l a m i n c k 等人 设计的悬臂梁结构纳机电谐振器【4 】。 我国中科院上海微系统与信息技术研究所的李昕欣研究员等人提出了一种 采用m e m s 工艺开发的悬臂梁结构的n 融僻谐振器吼如图1 3 ( a ) 所示，并利 用其研究了杨氏模量的尺寸效应。在随后的工作中，他们通过混合方式将c n t ( 碳纳米管) 与n e m s 悬臂梁结合起来，如图1 3 0 , ) 所示，成功的实现了对 亚皮克量级氢分子的检测( 理论上的检测分辨率可达单分子量级) ，再次向人们 展示了删谐振器在介观物理量检测领域的巨大优势和广阔前景。 8 浙征大学硕士学位论文：徽，纳机电谐鼙嚣特性研究 图1 2 ( a ) 两端固支粱结构图1 2 啦) 悬臂梁结构 图1 3 ( a ) 悬臂梁结构图1 3 ( b ) 碳纳米管与悬臂粱 1 1 3 微，纳谐振器驱动与信号检测 由于微纳机电谐振器振动幅度一般很小，所以需高灵敏度的检测方法来转 换小的振动幅度成电信号，而且检测电路之间的耦合和相互影响要小。目前， 在实验室条件下谐振器的激励以及相应的信号检测通主要采用以下几种方式： 1 ) 静电力驱动与电容检测法 该方法通常采用网络分析仪等设备将信号输入微，纳谐振器，利用谐振结构 与衬底电极之间的静电力的变化，激励谐振器起振。同时，通过检测谐振器振 动部分与衬底之间的电容变化来检测谐振器运动状况。由于谐振器运动过程中 电容变化量很小( 1 0 1 8 量级) ，当存在更大的寄生电容时，这个电容变化就不明 显，此方法就不合适 2 ) 洛仑兹力激励与感生电动势检测法 图1 4 洛仑兹力驱动感生电动势检测原理图 浙江大学硕士学位论文t 截，纳机电谐撂嚣特性研究 如图1 4 ，在外加静磁场b 的作用下，交流信号通过的谐振器在洛仑兹力的作 用下起振，同时切割磁力线。在谐振结构两端产生感生电动势，通过检厕这一 信号来分析谐振梁的运动状况。a n c l e l a n d 等人通过此方法测得了高为0 8 t u n 的两端固支梁的谐振频率7 0 7 2 m h z l 6 1 此驱动检测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相 对较高( 如有的测试需要提供8 t 的磁场) 。 3 1 激光激励与激光参量放大检测法 激光激励是将未经调制的低功率激光束经过聚焦投射在谐振结构上，利用 激光的加热效应在谐振结构中形成的温度梯度对材料的弹性系数进行调制，进 而产生收缩力推动谐振梁发生振动。激光参量放大检测法则是通过分析衬底反 射光与谐振梁反射光形成的干涉谱线，来测量谐振梁的运动状况，如图1 5 p 】。 c o r n e l l 大学的小组就开展了激光调制检测的研究降】值得指出的是激光参量放大 检测法不仅仅局限于采用激光激励的谐振器，对于采用静电力、洛仑兹力等激 励方式的谐振器同样适用。 图1 5 激光激励与激光参量放大检测法 4 ) 静电驱动与压阻检测 图1 6 静电驱动压阻检铡外围电路图 1 0 浙扛大学硕士学位论文t 徽，纳机电谐振嚣特性研究 压阻检测是利用谐振器本身材料或者振动结构上的外加电阻由于其压阻特 性，在谐振器振动时，电阻以振动频率改变的原理来检测的。b a r g a t i n l 9 等人就 利用了此方法测的了高达2 4 m h z 的谐振频率，如图1 6 。这种驱动与检测方法采 用的设备相对简单，但是对检测电路要求较高。因为随着频率的上升，微纳谐 振器的寄生阻抗上升，而且电路之间的耦合也会随频率的升高而变大。 除了上述几种常用的检测方法，还有电热激励压阻检测。另外还有一种新 颖的电子隧穿检测方法【1 0 1 ，此方法是极小尺寸器件振动检测的好方法，因为此 方法分辨率很高，但由于寄生电容的存在及遂穿沟道的电阻很大，这种检测的 带宽很小。有待于进一步改进及应用。 如前所述，在微纳谐振器的结构和检测方法中，目前还未形成系统有效并 且通用的检测方法，因此微纳谐振器朝着更小型号、更有效检测方法、更易于 集成结构的方向发展。 1 2 半导体辐射效应简介【1 1 】 微小型化是航天技术发展的重要趋势之一。微纳机电系统是实现微小型化 的重要途径，在未来航天系统中有着重要的作用。而在航天应用中，一个重要 的问题就是射线对器件或材料的损伤。研究者早在5 0 年代发现了辐射对半导体 的损伤作用，但直到1 9 6 3 年发现人造卫星穿越范艾伦辐射带，内部电子系统的 晶体管因受到辐射而失效，这才引起科学家的重视，并对其进行研究。有证据 表明，卫星或空间飞行器的事故中3 9 0 , 是由于电子学元器件失灵而造成的，因 此研究器件的抗辐射特性非常重要。 1 2 1 辐射环境 半导体辐射效应涉及的辐射环境有空间辐射环境、核爆炸辐射环境、实验 室辐射环境和工艺环境四类。 一般宇宙空间的辐射主要来自宇宙射线( 以1 0 8 1 0 2 1 e v 的质子为主；另有少 量高能撒子、”介子和电子) 、范艾伦带( 以4 0 k e v - - 5 m e v 电子和0 1 5 m a y 的质 子为主) 、太阳耀斑( 以能量在1 0 7 e v l o v 之间的质子为主) 、太阳电磁辐射( 波 长峰值约为4 5 5 0 a ) 和极光辐射( 以小于5 0 k e y 的电子为主) 等。对于围绕地球 运行的航天器威胁最大的是位于赤道上空的内、外范艾伦辐射带，受辐照的剂 量可分别达到1 g y 危及数十( ；v ，l l 。 核武器爆炸形成的环境，是由冲击波、光辐射、电磁脉冲和核辐射及x 射线 等构成的综合环境。核辐射包括中子、放射性颗粒( 裂变碎片、各种带电粒子 等) 、t 和x 射线。对电子材料和设备的辐射损伤来说，主要是快种子、y 和x 射线。 实验室辐射环境是指用于模拟空间和核爆环境的某些辐射效应的实验室设 浙征大学礤士学位论文t 截，纳机电谐蒹嚣特性研究 备所形成的辐射环境。一般使用闪光x 射线机( 或直线脉冲电子加速器) 模拟核 爆的剂量率效应，使用c 辐射源模拟总剂量效应和使用脉冲反应堆模拟核爆中 子的效应。 最后一类就是工艺辐射环境。半导体的许多工艺( 如掺杂、刻蚀制板等) 是在辐射环境( 离子、中予、电子、t 射线和x 射线等) 中进行的。在完成某项 工序的同时，芯片也受到不同程度的损伤。例如x 射线或电子束曝光制板过程中， 芯片接受的辐照量高达1 0 6 g y ( s i ) 。 1 2 2 辐射对物质的损伤 辐射与物质的相互作用形式是电子过程和原子过程，还有因电子过程产生 的表面效应。因此损伤的基本形式是电离、位移和表面效应。 1 1电离作用：即电子过程。入射带电粒子与物质原子的轨道发生库仑散射 作用将能量转移给电子，若转移的能量不高，则原子被激发，若能量足够高， 则电子成为自由电子，电离辐射使半导体内产生过剩的电子一空穴对，因此使 电导率改变，当辐射源去除恢复原值。当加上电场，这些过剩的电子空穴分别 趋向正极和负极形成光电流。 位移作用：即原子过程。位移效应是由于入射粒子与物质原子核发生碰 撞，将一部分能量交给晶格原子，当这部分能量超过位移域能时，将导致晶格 原子离开正常的晶格位置成为间隙原子，而在原来的晶格位置留下一个空位， 形成所谓的f r e n k e l 缺陷。而入射粒子与晶格原子发生碰撞所产生的高能初始反 冲原子p k a ( p r i m a t y k n o c k - o n a t o m ) 在晶体内运动，又可通过级联式碰撞产生更 多的f r e n k e l 缺陷。多数半导体材料中晶格原子的位移阈值为1 0 2 5 e v 。 3 1 表面效应：即电离辐射在半导体表面的氧化层中产生电离，其结果是氧 化层中建立正电荷并引入界面态。氧化层中由于辐射电离产生电子空穴对，电 子的迁移率远大于空穴，故在外电场作用下电子漂向正电极，正电荷总是积聚 在半导体一氧化层界面。 辐射在物质中沉积能量的主要机制是电离和位移，就辐射效应研究来说， 分析辐射与物质的相互作用目的在于确定电离和位移的微观分布及与辐射类型 的关系，并由此研究辐射引起的损伤对物质的电特性和机械特性的影响。 1 2 3 微纳器件的辐照研究进展 虽然半个多世纪的研究已经使半导体的辐照特性相对成熟，并形成了专门 的抗辐射电子学科，人们期望微机械器件有越来越强的抗辐射能力，然而近期 的一些研究表明微机械器件仍然对辐射敏感。而对器件尺寸更小的纳机械器件， 将更敏感于空间辐射。例如美国海军研究实验室的a r k n u d s o n 等人研究了 a n a l o gd e v e e s 公司生产的a d x l 系列m e m s 单片集成加速度传感器在6 5 m e v 质 浙江大学硕士学位论文l 徽纳机电谐撂嚣特性研究 子辐照下的特性退化情况【埘，几乎同时j p l 的c tl e e 等人【”】也对该系列加速 度传感器在钴c 0 6 0 产生的y 射线辐照、低能质子( 5 5 m e v ) 、高能质子( 1 5 5 m e v ) 辐照后的响应特性进行了研究，l e e 等人同时还研究了m o t o r o l ax m m a s 4 0 c 起型 加速度传感器的抗辐射特性1 1 4 】日本能量公司中心研究实验室的m a s a f i 】i 】m 等人 及国外很多实验室的研究人员对太阳能电池的辐照机理进行了研究【1 5 】 1 6 1 ，研究 结果表明，在空间工作一段时间后的电池在辐照下受到了不同程度的损伤。 国内的微纳机电系统的辐照研究还刚在起步阶段，只有极少数研究小组开 展了m e m s 器件辐射损伤的研究工作，例如复旦大学的z h u 等人研究了s o i 材料上m e m s 压力传感器的在咖玛射线辐照下的退化情况【l 。7 】，结果表明在2 ，3 m r a d ( h 2 0 ) 的辐照剂量下，传感器的零偏出现明显变化。该文认为辐射导致压 阻器件电特性的改变以及氧化层中的电荷积累是产生零偏变化的主要原因。 从已有的实验结果看，对m e m s 器件的抗辐射特性的研究还是比较初步的， 而对n e m s 器件的抗辐射特性研究尚未见报道。另外在已有报道的m e m s 器件 辐射损伤机理的分析中，仍然以电损伤为主，也就是电离效应导致电子空穴对 的产生，改变器件载流子迁移率、寿命，或者是绝缘层的电荷( 空穴) 积累导致器 件电性能的变化【1 8 】 1 9 1 刚。辐照也能引起材料的位移效应，但是在已有的报道中 很少有位移效应对器件的损伤结果。l p s e h a n w a l d 等人在对表面微机械制作的多 晶硅梳状驱动器的辐照研究中1 2 1 1 ，发现驱动器谐振幅度随辐照总剂量而整体抬 高，在分析时提出由于离位损伤导致的弹性系数改变是可能的原因之一，但由 于该谐振器的q 值只有1 0 左右，未能分析谐振频率的移动，这一结论只能是非 常初步的推测。 1 3 微纳机电谐振器辐照研究意义 微，纳机电谐振器有别于传统电子器件很重要的因素是其机械特性。辐射对 材料损伤主要导致两个效应，电离损伤和位移损伤。对电子器件来说，这将导 致材料电特性的改变，如电子空穴对的产生，缺陷态的增加，载流子迁移率改 变等。然而，电离损伤和离位损伤也会导致材料机械特性的改变，如材料的弹 性系数及材料内耗的改变等。对于部分微纳器件来说，机械特性的改变对系统 影响并不明显，而且很多已有的报道只局限于电特性的改变，并未反映出机械 特性的改变。但是，对于另外一些器件，如工作在谐振状态下的传感器来说， 机械特性的改变将影响谐振运动的谐振频率和q 值，这将严重影响谐振器的输 出幅度和选频特性。 辐射粒子对材料的位移损伤引起原子移位，此移位的反冲原子的能量如果 大于材料的位移阙值，则将继续引起更多的移位原子，也就是所谓的级联碰撞。 图1 7 为5 0 k e v 硅原子入射到硅材料引起的级联碰撞示意图吲，可以看出，对于 浙江大学硕士学位论文。钟纳机电谐振器特性研究 高能粒子的入射会在材料中形成簇射，而在级联反冲分支的末端又会形成一个 具有一定尺寸的缺陷团，造成晶格畸变，影响材料的各种性能。对于微纳机电 谐振器来说，由于器件材料尺寸d , n 微米量级甚至纳米量级，当高能辐射导致 的缺陷团尺寸可以跟器件尺寸比拟时，辐照导致的机械特性改变可能将会变得 非常明显。 翻幽黼i ) 图1 75 0 k e y 硅原子入射引起的级联反冲示意图 本论文选取微纳机电谐振器，采用理论分析和实验相结合，研究其辐照损 伤特性。因为器件工作在谐振状态，电学参数和机械参数的微小变化均可在其 外特性上反映出来，特别是体加工( 单晶硅) 微缃谐振器的q 值比表面微机械 加工多晶硅器件要高得多，更容易检测到由于辐射损伤导致机械特性的微小变 化。通过对微纳谐振器的辐照特性研究，可以揭示出微纳器件抗辐射特性，从 而更深入地理解辐照对材料特性的影响，也可为今后采取适当措施提高微纳器 件抗辐射能力提供理论依据。 1 4 本论文研究内容 本论文选取微纳机电谐振器做为研究对象，仔细分析了三种结构谐振器的 工作原理和运动特性，详细测试了谐振器的静态、动态特性。并结合微机电谐 振器的辐照实验，从理论上分析了辐射对材料的损伤机制。各个章节内容具体 包括： 1 ) 第二章首先分析了三种结构微纳谐振器的检测原理，接着详细讨论了谐 振器的工作原理及检测信号。重点分析了纳米谐振器的工作原理。 2 ) 第三章第一部分介绍了微纳机械谐振器的制作工艺流程。第二部分给出 了谐振器的测试电路及测试结果，最后对测试结果进行了分析。 3 ) 第四章详细讨论了辐照跟物质的相互作用，重点分析了辐照电子、丫射 1 4 s芒-苫5 浙江大学硕士学位论文t 徽黼机电谐振嚣特性研究 线对材料的位移效应，进行了辐照对s i 造成的损伤效应的理论分析，分析了损 伤对s i 材科造成的影响。 4 1 第五章给出了辐照实验的结果，并结合理论分析了导致结果的原因。确 定了整个辐照损伤的关系链。为微纳机电谐振器的抗辐射研究提供了一定的基 础。 5 1 第六章对本论文的一些研究结果进行了总结并提出了一些展望。 浙扛大学顼士学位论文t 徽，纳机电谐振嚣特性研究 第二章微纳谐振器工作原理 2 1 谐振子动力学分车斤【2 3 】 i 上i 产t l m i m 图2 1 单自由度振动系统 微纳谐振器系统的核心是谐振子，谐振子的振动特性掌控了整个谐振系统 的工作状况，系统的驱动和检测原理都是根据谐振子的结构来设计。谐振子在 工作过程中，可以等效为一个单自由度系统，如图2 1 ，其动力学方程 m j + c 童+ 膏x = f ( f ) ( 2 1 ) 式中，m 表示振动系统的等效质量，单位为k g ；c 表示振动系统的等效阻尼系数， 单位为j 砌；k 表示振动系统的等效刚度，单位为n m ；只f ) 表示外作用力，单 位为。 m 舅、c 圣、l i x 分别反映了振动系统的惯性力、阻尼力和弹性力。根据 谐振状态应具有的特性，当上述系统处于谐振状态时，作用外力应当于与系统 的阻尼力相平衡，惯性力与弹性力相平衡，系统以其固有频率振动，其固有频 率为 厅 嘞2 i ( 2 2 ) 这是一个非常理想的情况，在实际应用中很难实现，因为实际振动系统 的阻尼力很难确定。因此，可以从系统的频谱特性来认识谐振现象。假设 2 1 式中的外力为f ( t ) = 目s i n c o t 则系统的归一化幅值响应和相位响应分别为 1 6 浙江大学硕士学位论文：徽，纳机电谐摄罄特性研究 钺回2 石两1 q 3 一嚣t e ：_ i 咖) = - 1 - - a l e t 8 1 1 筹p 1 ( 2 4 ) 式中p 为相对于系统固有频率的归一化频率，p = o o b o ， 为系统的阻尼 比系数，善= = ；一，蛳为系统的固有频率( r a d s ) 上、，k m 由式2 3 可知，当p = l 一鸳2 时，振幅a ( ) 达到最大，这时系统的相 位为 妒：一aret锄鸳一-万2aret ( 2 5 ) 舻一锄云r ”z 旺。5 此时，系统的谐振频率为= l 一鸳2 ，因此系统在振动过程中的谐 振频率不等于固有值，其与系统的阻尼比系数密切相关，为了描述系统谐振 频率跟固有频率之间的差别，引入了机械品质因素q 值。谐振子的品质因素 q 值定义为 0 ：2 7 t 兰( 2 6 ) 。 式中，e 孽一谐振子储存的能量； e o 一谐振子每个周期由阻尼消耗的能量。 由上式定义，可以求出 q * 三 ( 2 7 ) c 0 2 一a j l 觎、t 对应的幅值为爿夕乞，称为半功率点。 q 值反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢程度，也反 映了幅频特性曲线谐振峰陡峭的程度。从系统振动的能量来说，q 值越高，表明 每周期消耗的能量越少，系统的谐振频率跟固有频率越接近，选频特性越好。 因此对于谐振系统来说，提高品质因素至关重要，应采取各种措施提高谐振系 统的q 值。 2 2 谐振器驱动 浙江大学硬士学位论文j 徽纳机电谐振嚣特性研究 谐振器的驱动方式有很多种，如热、电磁、压电、光等。由于制作静电驱 动的电容结构较简单，处理方便，因此在微机械器件中得到了广泛的应用。对 于微机械器件结构中静电力的作用和效应，已有大量研究，本节将就本研究谐 振器中涉及的静电驱动作一些分析。 静电驱动是利用物体间的静电力使物体运动。静电力可以根据物理中电磁 场理论进行分析，并由器件的静电场储存的势能计算得到。静电力可表示为 - - b f = 一v u( 2 8 ) 通常，电容中存储的电势u c = 妄c v 2 , 其中c 是极板间电容，v 是施加在 二 电容板两端的电压。考虑到电容与一个电压源相连，电压源在保持电压恒定的 同时，充放电，则系统的势能由下式给出 11 u = u c + u b = 寺c v 2 一q v = 一 c v 2 ( 2 9 ) 二 o1 因为v 是常数，所有f = v u = v c v 2 ( 2 1 0 ) 2 因此只要确定结构电容如何变化，就可得到两极板间的静电力。0 一 图2 2 静电力驱动可动极板示意图 假设有如图2 2 所示的平板电容结构，平板电容两端施加固定电压v ， 其中上极板可动，下极板固定，初始间距为d ，极板的初始面积为a = y z ， 则平板电容器的初始电容为：c ：三二! 三 d 如果在法向静电力作用下，可动电极板位移善，则平行板问电容变为 c ：攀( 2 1 1 ) d + x 则法向静电力的大小为 f n 一互1 器v 2 ( 2 1 2 ) 式中的为极板间介质的介电常数，负号表示力的方向与位移方向相反，为 吸引力。静电力均为吸引力，所以以下的表达式均采用去掉负号。由式可知， 法向静电力与极板的间距的平方成反比，而与极板的面积成正比，与驱动电压 1 8 11 浙扛大学硕士学位论文t 徽，纳机电谐振嚣特性研究 情况下静电力增大，导致极板更向下运动，如此的正反馈过程在驱动电压过大 当以静电力f n 驱动系统时，根据弹性系统振动方程有 m “c “b 垆目2 茄每旷 ) 其中s 为弹性物体相对于静电力电容的面积，因为x d ，将1 ( d - x y 2 展开成 南2 吉同1 * 2 张卜 ( 2 1 4 ) 当之( ( 1 ，只取幂级数前两项，则式可以化成 扔m “妇2 署炉忙别 眩 ：罢矿+ 掣矿2 善 m 量+ c 量+ k 。x ：罂v 2( 2 1 6 ) 2 d 。 i ：k - z 。sv 2 ( 2 1 7 ) 由式2 1 7 可以看出，静电驱动电压将改变弹性系统的弹性系数。系统的能 量包括形变能和静电能，因此有效弹性能将包括静电能，系统的有效弹性系数 为驱动电压的非线性函数。同理，驱动下系统的谐振频率变为 严去摆= 一嚣吃 c 2 m ， 其中，f o 为系统固有的谐振频率。因此，运动中的系统谐振频率也为驱动 浙江大学硕士学位论文，徽瑚机电谐振器特性研究 号 v g = v d + v a s i n ( c o t ) ( 2 1 9 ) 则根据式( 2 1 2 ) ，可以得出静电力的表达式为 f n = 赫( 吒+ 2 。v d v s i n ( t ) + s i n ( t ) 2 ) = 嵩( 瞻+ 丢v 2 屹v d v a s i n ( m i ) 一吾q 。s h ( 2 t ) ) 2 0 ) 、 j、 ( 2 上式中静电力包括直流项、基频项和二倍频项，直流项使梁产生预形变， 可改变梁的刚度，进而能对谐振器的谐振进行调协。梁在基频项和二倍频项的 作用下作受迫振动，因此可以通过检测基频或二倍频2 t o 的方法来检测谐振特 性。当或者2 矗达到系统谐振频率时，振动输出信号达到最大。我们采用基频 项提供驱动，选择v d ) v a ，因为，v ，a ，, l ，因此忽略式2 2 0 中的二倍频项，则静 电力变为 f n = i 舂考了( 吒+ 三匕2 + 2 。v d v a 商nt o - t ) c 2 埘， 由于法向驱动时，静电力随极板间距变化，驱动力是非线性的，而且间隙 电容的梁极板间的压膜阻尼也会随着间距的变小而变大，因此也是非线性的， 所以在法向驱动下，谐振结构的响应很复杂，无法精确求得运动方程解析解， 这里采用级数法近似求解了不考虑阻尼非线性条件下的振动方程。 将( 2 2 1 ) 式代入式( 2 1 6 ) ，得 m 譬+ c 童+ “x = 嚣( 瑶+ 三一2 + 2 吆s i n ( t ) ) ( 2 2 2 ) 由此式可以解得运动极板的位移方程 x = a e 一缸s i n ( l 一孝2 - c o t + a ) + b s i n ( c o t 一伊) + y 1 ( 2 2 3 ) 其中 a = b = 妒1 等 2 0 ( 2 2