P型硅納米梁壓阻理論模型與檢測研究.pdf

1、納機(jī)電系統(tǒng)是繼微機(jī)電系統(tǒng)之后在系統(tǒng)特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類超小型機(jī)電一體系統(tǒng),一般指特征尺寸在亞納米到數(shù)百納米,以納米級結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的新效應(yīng)如量子效應(yīng)、界面效應(yīng)和納米尺度效應(yīng)等為工作特征的器件系統(tǒng)。納機(jī)電系統(tǒng)具有高達(dá)微波頻段的諧振頻率,上萬的品質(zhì)因素,超高的力學(xué)和電學(xué)敏感度和超低的功耗等特點(diǎn)。目前如何實(shí)現(xiàn)納米尺度下的位移傳感是限制NEMS廣泛應(yīng)用的瓶頸。而普遍應(yīng)用于MEMS器件的位移傳感對于NEMS器件并不是同樣適用,例如電

2、容檢測會由于梁尺寸接近納米尺度而使得不可控的寄生效應(yīng)覆蓋原始信號:而對于光學(xué)檢測來說隨著器件尺寸遠(yuǎn)小于光源波長會帶來明顯的衍射效應(yīng)。對于壓阻傳感納米梁的分析和研究是近年來許多NEMS研究人員的重要課題,而相比于n型摻雜硅而言,P型單晶硅表現(xiàn)出更明顯的壓阻效應(yīng),P型硅壓阻梁的理論分析和實(shí)驗(yàn)測量無論對于其力學(xué)、電學(xué)特性還是今后傳感方式的研究都具有十分重要的意義。
　　 本論文首先討論了壓阻效應(yīng)的線性模型,隨后提出了壓阻效應(yīng)的一般模型

3、,并以此給出了受到大彎曲載荷下的疊加模型,并從晶格對稱性的角度研究了P型摻雜硅的能帶結(jié)構(gòu)隨外加應(yīng)力的變化情況。然后研究了一維限制情況下的納米板的能帶模型,最后給出了二維限制情況下的納米線的能帶模型并給出了P型硅納米梁的壓阻系數(shù)的模型。
　　 論文從實(shí)驗(yàn)和仿真方面研究了硅納米梁的壓阻效應(yīng)。首先用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀研究了納米梁電阻值精確測量的問題,對檢測得到的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)的解釋并給出了合理的解決方案。隨后使用襯底靜電法測量了雙端固支納

4、米梁的電阻隨襯底電壓的變化曲線,建立平板電容模型計算了此時的靜電力大小。隨后使用原子力顯微鏡施加點(diǎn)載荷測量了惠斯通電橋中的半邊摻雜雙端固支梁結(jié)構(gòu)的電阻和電阻變化,并通過有限元分析軟件Ansys仿真了從加載點(diǎn)到摻雜區(qū)域的應(yīng)力傳輸,并以此估算了此時的壓阻系數(shù)。在應(yīng)力分析中,通過Ansys軟件分別定性研究了施加點(diǎn)載荷、面載荷(靜電力)、襯底彎曲載荷時雙端固支梁和懸臂梁上表面的軸向應(yīng)力分布情況,并從應(yīng)力梯度的角度研究了不同施加載荷方案對于測量壓