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微/纳机电谐振器特性研究

梁秋芳  
【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100nm。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MOSFET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‰。测得在高真空条件下悬臂梁质量块系统的谐振频率为10.6350kHz,折叠梁质量块系统谐振频率为20.820kHz。 纳机械谐振器的静态测试得到了MOSFET效应。得到的沟道电流随栅压和漏源电压的变化符合典型MOSFET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Co60γ射线和电子的辐照实验。辐照结果表明γ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MOSFET效应,为MOSFET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。


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