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基于半导体纳米线的纳米梁谐振器优化与测试技术

作　者: 张国平
导　师: 朱荣
学　校: 清华大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米梁谐振器 MEMS 静电驱动压电驱动 Q值
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微谐振器广泛应用于各种微谐振式传感器，灵敏度高，精度高，能耗低，数据后续处理方便且不易失真，一直受到人们的密切关注和广泛研究。纳米梁谐振器因其灵敏度更高、能耗更低、响应速度更快，正成为微谐振器的研究热点之一。论文调研了国内外微谐振器的激振、拾振方法，尤其是纳米梁谐振器特有的振动检测方法。在实验室已有工作的基础上，采用了静电驱动和电导检测的方法，通过原理分析，建立检测电流与激励电压、梁的振动之间的关系，设计并制作了相关电路，搭建了测试系统，并通过实验验证了该纳米梁谐振器的可行性。论文总结了影响纳米梁谐振器Q值的六个主要因素，并提出了适用的提高Q值的方法和措施。对双端固支梁和悬臂梁的接触损耗进行了理论分析以及仿真和实验验证，明确了压电驱动相对于静电驱动的明显优势，即能有效地减小接触损耗从而提高Q值。基于ZnO纳米线良好的压电和逆压电特性，论文设计了一种压电驱动模式，通过理论分析建立检测电流与激励电压、梁的振动之间的关系，设计并制作了相关电路，并通过实验验证了其可行性以及相对于静电驱动的显著优势。因课题研究需要，论文还分析了两个普遍存在的测量问题并提出了解决方案。(1)寄生电容在阻抗测量中不可避免，有时会严重影响阻抗测量结果，在进行阻抗测试和阻抗模型参数辨识时必须考虑它的存在，论文对此进行了研究，建立了包含寄生电容的阻抗模型，并提出阻抗模型各参量值的有效辨识方法。(2)迟滞效应普遍存在于各种频率响应测量中，论文分析了其产生机理，给出了消除其影响的补偿方法，并通过仿真和实验分别验证了理论分析的正确性和补偿方法的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-16
  1.1 微谐振器概述  9-12
  1.2 纳米材料在微谐振器中的应用  12-14
  1.3 本论文研究目标及主要任务  14-16
第2章纳米梁谐振器的结构设计及其加工技术  16-23
  2.1 结构设计及制作工艺流程  16-18
  2.2 纳米梁的组装  18-20
  2.3 聚焦离子束加工技术  20-21
  2.4 封装  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章纳米梁谐振器的驱动与检测方法  23-37
  3.1 静电驱动及其检测方法  23-28
    3.1.1 静电驱动及其检测的基本原理  23-27
    3.1.2 静电驱动模式下的相关电路设计  27-28
  3.2 压电驱动及其检测方法  28-33
    3.2.1 ZnO 纳米线的压电和逆压电特性  28-29
    3.2.2 压电驱动及其检测的基本原理  29-33
    3.2.3 压电驱动模式下的相关电路设计  33
  3.3 纳米梁谐振器的测试系统  33-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章纳米梁谐振器的 Q 值  37-55
  4.1 Q 值的主要影响因素及其提高方法  37-42
    4.1.1 温度（temperature）  38-39
    4.1.2 振动梁结构（geometry）  39-40
    4.1.3 空气阻尼（air damping）  40
    4.1.4 热弹性阻尼（thermoelastic damping）  40-41
    4.1.5 接触损耗（support loss）  41
    4.1.6 表面损耗（surface loss）  41-42
    4.1.7 小结  42
  4.2 振动梁的接触损耗分析  42-54
    4.2.1 接触结构的改良  43
    4.2.2 双端固支梁的接触损耗分析理论分析  43-47
    4.2.3 双端固支梁接触损耗的仿真与讨论  47-48
    4.2.4 悬臂梁的接触损耗理论分析  48-51
    4.2.5 悬臂梁接触损耗的实验与讨论  51-53
    4.2.6 小结  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第5章纳米梁谐振器的检测  55-83
  5.1 纳米梁的 I-V 特性测试  55-56
  5.2 纳米梁谐振器的 FET 效应测试  56-57
  5.3 寄生电容在阻抗测试和参数辨识中的影响及其解决方案  57-66
    5.3.1 等效电学模型  58-59
    5.3.2 阻抗特性  59-61
    5.3.3 参数辨识方法  61
    5.3.4 仿真与分析  61
    5.3.5 实验与分析  61-64
    5.3.6 基于 I-V 辅助的辨识方法  64-66
    5.3.7 小结  66
  5.4 频率响应测量的迟滞效应及其补偿方法  66-74
    5.4.1 频率响应测量分析  68-70
    5.4.2 补偿方法  70
    5.4.3 仿真与分析  70-73
    5.4.4 实验与分析  73-74
    5.4.5 小结  74
  5.5 ZnO 纳米梁谐振器在静电驱动模式下的谐振特性测试  74-79
    5.5.1 测试方法  74
    5.5.2 结果与分析  74-78
    5.5.3 小结  78-79
  5.6 ZnO 纳米梁谐振器在压电驱动模式下的谐振特性测试  79-82
    5.6.1 测试方法  79
    5.6.2 结果与分析  79-82
    5.6.3 小结  82
  5.7 本章小结  82-83
第6章总结  83-85
  6.1 研究内容  83-84
  6.2 下一步工作建议  84-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  90

基于半导体纳米线的纳米梁谐振器优化与测试技术

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