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1、课程报告题目：纳机电加速度传感器NEMS acceleration transducer 姓名： 学院： 专业：测试计量技术及仪器 学号： 课程老师： 提交时间： 摘要纳机电系统(NEMS)是基于微机电系统发展起来的新兴技术领域,同时也是纳米技术的重要组成部分，它是指在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。本论文首先介绍了国内外纳机电传感器的发展情况，然后根据纳米超晶格薄膜在应力作用下具有力电耦合特性，对一种基于AlAs/InGaAs双势垒共振隧穿薄膜微结构介观压阻效应的新型纳机电加速度传感器进行研究，包括理论分析，结构设计与仿真，工艺设计流程，最后对其外围测试电路进行了
2、设计。关键词： 纳机电系统，加速度传感器，共振隧穿微结构，介观压阻效应Abstract Nanoelectromechanical system(NEMS) is a prospective field of technology developed on the basis of micro electromechanical system. Its also a kind of ultra small mechatronics system that have the characteristics of nanotechnology in the feature size and eff
3、ect. In this paper,the development of mechanical and electronic sensors are introduced firstly. In the next part, according to the obvious mechanical-electrical coupling effect of resonant tunneling superlattice membrane, a NEMS acceleration sensor has been analyzed in theory, structure designed, si
4、mulated by ANSYS and fabricated based on the mesoscopic piezoresistive effects of AlAs/InGaAs double-barrier resonant tunneling membrane structure(RTS). In the last part, the periphery circuit of the NEMS acceleration is designed.Keywords: NEMS, accelerometer, RTS, meso-piezoresistive effect目录第一章 前言
5、51.1 纳机电系统概述51.2 国内外研究现状5第二章 共振隧穿介观压阻式纳机电加速度传感器的原理122.1 介观压阻效应122.2 GaAs基压阻式加速度传感器工作机理13第三章 共振隧穿介观压阻式纳机电加速度传感器的结构设计153.1 RTS的结构设计153.2 加速度传感器结构设计153.3 加速度传感器仿真分析153.3.1 加速度传感器静态分析16第四章 共振隧穿介观压阻式纳机电加速度传感器工艺设计204.1 工艺设计204.1.1 关键工艺介绍204.2 工艺流程设计224.3 测试电路设计244.3.1 振荡频率测试电路的设计254.3.2 电桥测试电路的设计254.3.3 探
6、针加压实验台设计26结论26参考文献28第1章 前言1.1 纳机电系统概述微机电系统( MEMS，micro electromechanical system )技术是一种在微电子技术的基础上，融合硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术而构造的微型系统。它是微电子技术的延伸和扩展,不但具有信号处理功能，还可以对外部世界进行感知甚至作用。由于MEMS器件可以将尺寸缩小到110-6m110-4m的范围，所以可以实现很多新功能，例如在芯片上处理信号并控制电路、制造大规模多模态整列等等。总之，基于MEMS技术的智能化，高功能密度的新型系统正在对人类的生活生产方式产生革命性的影响3。
7、 纳机电系统（nanoelectromechanical system,NEMS）是基于MEMS技术而提出的一个新概念，是指在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。甚至可以这样理解NEMS,即纳米尺度上的机械设备、电子器件、计算机和传感器，是MEMS在纳米尺度上的再现。但是，微观世界的一些特性使NEMS和MEMS区别很大。首先，NEMS器件可以提供很多MEMS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前所未有的控制能力，
8、以及在纳米尺度上的有效的驱动方式。但是在小尺度下产生的一些新的物理特性将影响器件的操作方式和制造手段。与MEMS相比，NEMS对微加工技术提出了更高的要求,具体说就是研究的材料范围更宽,加工过程的空间分辨率更高【3】【14】。NEMS技术潜在的巨大效益将渗透到科技发展的各个领域,从宏观到微观,从医药技术到生命科学,从制造业到信息通讯等等。世界各地的科技工作者正在积极致力于这一领域的研究。1.2 国内外研究现状纳机电器件技术是纳米科学与技术的重要组成部分,是90年代末、21世纪初提出来的一个新概念，纳机电器件是基于纳机电效应的、特征尺寸在0.1-100纳米的新型器件。纳机电器件以Top-Down
9、为主要制造方式，结合Bottom-UP方式，以纳米机械制造为基础,构成纳机电传感器、纳机电执行器及其组成的系统。它可实现利用现有技术难以实现的超高灵敏的传感和探测,超高精细的执行和操纵,超高密度的存储和传输等等。目前，研制成功的NEMS器件主要包括以下几类：1、 NEMS谐振器 目前研究较为广泛的NEMS谐振器,按照其基本结构,可以分为以下两种。（1）桨片结构NEMS谐振器该NEMS谐振器的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Evoy等人提出的一种桨片结构的NEMS谐振器,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
10、械谐振信号对激光信号的调制现象,这一发现,为NEMS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 桨片结构的NEMS谐振器SEM照片（2） 梁结构NEMS谐振器此类NEMS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所示的由Cleland等人提出的NEMS谐振器便属于两端固支梁结构。作为两端固支梁结构的变体,Carr等人又提出了一种两端固支的网格结构的NEMS谐振器,其特征尺寸为50nm。如图1.3所示。通过EBL精确控制网格的形状与周期尺寸,可以获得一系列Q值与谐振频率各不相同的NEMS谐振器。图1.2 一个两端固支结构的NEMS谐振器SEM照
11、片图1.3 网格结构的NEMS谐振器SEM照片西班牙CIN2实验室的Lassagne等采用气相沉积方法在高掺杂Si/SiO2衬底上生长单壁碳纳米管，采用电子束光刻和湿法刻蚀方法制备了用于质量称量的机械谐振器，实验装置以及SEM照片如图1.4所示。（a）单壁碳纳米管谐振器原理和应用（b）碳纳米管谐振器SEM照片图1.4 用于单原子质量称重的碳纳米管谐振器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MEMS工艺开发的悬臂梁结构的NEMS谐振器,如图1.5所示,并利用其研究了杨氏模量(YoungsModulus)的尺寸效应。图1.5 NEMS悬臂梁的显微照片2、 NEMS开关
12、和继电器 哥德堡大学的Lee等采用PECVD沉积合成多壁碳纳米管制备的纳米继电器，如图1.6所示，长度为2.02.5m，直径为20100nm，源极高度为150nm，在5V的门极电压作用下可与栅极力学/电学接触吸合。图1.6 硅台阶衬底上的NEMS碳纳米管继电器加州理工学院的Kaul等在Si/SiO2衬底上采用直流磁电管溅射200nm厚的Nb薄膜，而后采用PECVD方法沉积一层SiO2，刻蚀形成20nm高的开关间隙，利用甲烷CVD方法生长碳纳米管制备NEMS开关，其示意图及SEM照片如图1.7所示。该NEMS开关的速度比静电驱动的MEMS开关高三个数量级，开关时间为2.8ns，吸合电压低于5V。
13、图1.7 CNT-NEMS开关原理图及其SEM照片 韩国的Jang等以TiN为结构材料，用CMOS兼容的加工工艺，研制出梁厚35nm，空气间隙为15nm的NEMS继电器，其关态漏电流几乎为0，亚阈值摆幅小于3mV/Decade, 驱动电压为20 V左右, 在空气中实现了几百次的开关，如图1.8所示。图1.8 TiN NEMS继电器 英国剑桥大学的Jang等用垂直生长的碳纳米管作为结构材料,用倾斜淀积和光刻实现碳纳米管局部金属化,制备了如图1.9所示的垂直方向NEMS继电器。该器件的优点是驱动电压比较低（小于4.5 V）。图1.9 碳纳米管垂直NEMS继电器三、NEMS传感器 伯克利大学一个研究
14、小组研发了碳纳米管质量传感器。如图1.10所示，他们用一个单独的双壁式纳米碳管做成一个可以产生共鸣的悬臂梁（谐振器）。当原子打到碳纳米管上时，导致其发生共振，从而可以测出原子的质量。该碳纳米管质量传感器最小能够测出3.25x 10-25 kg。图1.10 伯克利大学的碳纳米管质量传感器 瑞典隆德大学和一家瑞典公司合作，研发出一种NEMS化学气体传感器。如图1.11所示。该NEMS化学传感器能够检测出诸如丙酮，乙醇，硫醇等易挥发液体。图1.11 NEMS化学传感器第二章 共振隧穿介观压阻式纳机电加速度传感器的原理2.1 介观压阻效应2.1.2 RTS薄膜工作机理介绍介观压阻效应之前，首先要说明R
15、TS的工作机理。RTS是一种超晶格纳米薄膜微结构,它的核心是纳米级宽带隙材料中夹着纳米级窄带隙材料。从能带图上看,在导带上形成了两垒一阱的双势垒结构,如图2.1所示由量子力学可知,在势阱中形成分立能级,对一般隧穿而言,越过势垒的隧穿几率随势垒宽度的减少成指数性增长;对共振隧穿而言,穿透几率还和阱中能级电子的能量和动量守恒有密切关系隧穿电子在整个隧穿过程中必须满足两个基本的条件:能量守恒和横向动量守恒。图2.1 RTS的能带图及负阻型I-V特性从从能带图上看,在导带上形成了双势垒的结构,两端是发射极与集电极。E0是势阱的第一量子化能级,Ef是发射极的费米能级,Ec为发射极导带底能级.(a)当没有偏压时:E0Ef,双势垒薄膜没有发生共振,通过双势垒的电流为零。(b)对双势垒薄膜加偏压后EcE0Ef ,双势垒薄膜发生共振,随着偏压的增大,E0不断减小透射几率增大,因而电流不断增大。(c)当E0=Ec ，电流达到最大
