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高灵敏微悬臂梁探针设计制作及特性研究

刘勇  
【摘要】:微悬臂梁作为微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)中常用的微传感器,被广泛应用于力检测、质量检测、加速度检测、气压检测、化学生物检测等领域。特别地,用以检测样品电子自旋、核自旋的磁共振力显微镜(MRFM)需要能够检测到aN(10-18N)甚至更小力的高灵敏微悬臂梁。热机械噪声限制了悬臂梁极限力探测。基于热噪声原理,更长、更薄、更窄的高品质因数(Q值)微悬臂梁在极低温下,是测量极小力的理想探测器。然而,尺寸变长变窄变薄会限制Q值,因此设计时需要综合考虑。由于尺寸特性,高灵敏微悬臂梁与普通悬臂梁相比,刚度低三个数量级,使得加工时容易造成损坏。此外,目前对于高灵敏微悬臂梁的性能研究尚不全面,需要进一步进行深入研究。 本文基于MEMS微加工及MRFM系统,以高灵敏单晶硅微悬臂梁为研究对象,以优化微悬臂梁结构、提高单晶硅微悬臂梁制作成品率、完善微悬臂梁特性研究为目标,对单晶硅微悬臂梁的结构设计、基于SOI圆片的制作工艺、空气及真空中的特性分析进行了系统的研究。 基于能量损耗模型和热噪声理论,对高灵敏微悬臂梁进行结构设计。悬臂梁能量损耗分为空气阻尼损耗、热弹性损耗、支撑损耗、表面应力损耗等。真空中,空气阻尼可以忽略,随着悬臂梁厚度降低,表面应力损耗成为制约品质因数的主要因素。通过分析,对于所研究的高灵敏微悬臂梁,表面能量损耗远大于其他方式能量损耗。热机械噪声限制了悬臂梁极限力探测。根据热噪声原理,设计出用以探测aN的单晶硅微悬臂梁。针对用于MRFM的微悬臂梁,对微悬臂梁厚度、磁针尖进行了优化设计。悬臂梁优化厚度为四分之一波长的基数倍时,悬臂梁反射信号最强。相同特征尺寸的圆锥体、球体、圆柱体磁针尖,圆锥体产生的近场磁场梯度最大;磁针尖体积越小近场磁场梯度越大,但衰减越快。 在高灵敏微悬臂梁制作方面,提出一种基于SOI圆片和湿法体硅刻蚀的单晶硅微悬臂梁制作方法。湿法体硅刻蚀过程中采用表面氧化及黑蜡共同保护正面。正面氧化一方面可以令正面保护更加完善,并且为后续埋氧层图形化做好了准备,还可以对单晶硅微悬臂梁进行厚度减薄。SOI埋氧层存在内应力,实验中体硅刻蚀完毕时,埋氧层由于内部压应力的挤压作用发生变形破裂,并对单晶硅微悬臂梁造成破坏。为解决该问题,提出了对埋氧层事先进行图形化,即让其破裂在指定位置以避开悬臂梁,从而提高产率的方法。比较了矩形块图形化与悬臂梁图形化释放应力的优劣,矩形块图形化后悬臂梁产率50%,悬臂梁图形化方式可以实现产率100%,高于目前大量文献中提到的产率。此外,湿法过程中刻蚀、清洗操作,采用溶液置换方法。将SOI圆片放在聚四氟乙烯小容器中进行操作,避免直接操作器件,能够保护微悬臂梁不被液体张力破坏。由于H20张力较大且挥发慢,直接从H20取出悬臂梁容易造成损坏,因此我们将悬臂梁的H20环境置换成乙醇环境,从乙醇中取出样品。最终,在加热平板上烘干单晶硅悬臂梁。实验中,制作了数批单晶硅微悬臂梁。微悬臂梁长度为250-500gm,宽度10μm,厚度为0.5μm-1μm. 空气中微悬臂梁特性研究包括刚度、频率、Q值、端头质量影响特性。制备出的单晶硅微悬臂梁具有良好的低刚度特性,以465×10x0.85μm3单晶硅微悬臂梁为例,在悬臂梁上真空蒸发镀膜48nm厚的Au层,悬臂梁端头偏移位移达14μm。低刚度微悬臂梁,在空气中振动能量损耗主要来源于空气阻尼,上述单晶硅微悬臂梁空气中Q值为7.25。通过涂胶方式,研究携带端头质量微悬臂梁的特性。涂胶方式可以连续给同一根悬臂梁施加不同端头质量,与一次性微加工成型,方法简单且测量数据更具有可比性。端头质量通过微悬臂梁频率偏移计算得到。当端头质量为22.82ng,悬臂梁Q值从7.25增至19.07。端头质量会影响各阶振动频率,以22.82ng端头质量为例,悬臂梁前十阶振动频率均下降,与文献中所述频率离散不符合,这归结于集中质量加载与块体质量加载不同。 在MRFM应用方面,真空系统中的测试结果表明温度降低,微悬臂梁力探测分辨率越高。在77-220K范围中,微悬臂梁在140K时Q值出现最低值,与之对应体硅材料出现在115K。出现这种现象的原因是由于单晶硅材料内部摩擦损耗随温度变化,这是材料的固有属性。与体硅材料相比,亚微米厚的单晶硅悬臂梁,Q值随温度变化由内部摩擦和表面能量损耗共同影响。端头集中质量会抑制微悬臂梁在真空中的Q值,这表明周期内表面能量损耗与振动周期时间有关。微悬臂梁和光纤干涉仪光纤端面构成FP腔,通过光学控制可以抑制微悬臂梁噪声,起到冷却效果,使得在77K环境温度中的有效噪声温度降至10K。光学控制可以在不影响力检测分辨率的情况下,提升系统幅值敏感动态测量范围与响应速度。


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