阵列式微机械悬臂梁的研制及其特性分析

在一个芯片上设计了六组不同规格的矩形压阻悬臂梁.采用ANSYS有限元分析系统对微压阻悬臂梁进行应力分析,并对压阻悬臂梁的噪声、灵敏度以及最小可探测位移进行了研究.选用多晶硅为压阻材料,以硅微机械加工技术为基础,完成了阵列式压阻悬臂梁的制备.通过测量器件的噪声和灵敏度,计算出在6V偏压和10 0 0Hz测量带宽下,多晶硅悬臂梁的最小可探测位移为1nm .     

硅压阻输出微传感器的1/f噪声

从理论和实验上系统地讨论了压阻输出微传感器的噪声 .选用了单晶硅、非晶硅、多晶硅和微晶硅四种材料作为压阻材料 ,设计了 16种不同尺寸的力敏 Wheastone电桥 ,并对器件分别进行了两种不同浓度的掺杂和两种不同条件的退火 ,共获得 2 5 6种压阻输出的微传感器 .测量所有器件的噪声 ,并对噪声谱进行理论分析 ,实验结果表明单晶硅具有最低的 1/ f 噪声和 Hooge因子 (α)的值 ,而非晶硅略好于微晶硅和多晶硅 .几何尺寸大的力敏电阻具有低的 1/ f 噪声 ,但 α值不受器件尺寸的影响 .掺杂浓度增加 10倍时 ,不同器件的 1/ f 噪声降低介于35 %— 5 0 %之间 .     

硅压阻输出微传感器的1/f噪声

从理论和实验上系统地讨论了压阻输出微传感器的噪声.选用了单晶硅、非晶硅、多晶硅和微晶硅四种材料作为压阻材料,设计了16种不同尺寸的力敏Wheastone电桥,并对器件分别进行了两种不同浓度的掺杂和两种不同条件的退火,共获得256种压阻输出的微传感器.测量所有器件的噪声,并对噪声谱进行理论分析,实验结果表明单晶硅具有最低的1/f噪声和Hooge因子(α)的值,而非晶硅略好于微晶硅和多晶硅.几何尺寸大的力敏电阻具有低的1/f噪声,但α值不受器件尺寸的影响.掺杂浓度增加10倍时,不同器件的1/f噪声降低介于35%-50%之间.相比950℃、10min退火条件,1050℃、30min的高温长时间退火的器件,其1/f噪声降低约65%.     

基于FBG的悬臂梁式微力与微位移传感单元北大核心CSCD

设计了一种基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的微力与微位移双物理量传感单元,采用矩形悬臂梁型弹性体结构以及两片FBG布片方式,提高了力和位移灵敏度,实现了温度补偿,位移灵敏度可通过改变悬臂梁的固定位置和长度进行调整。对传感单元的性能进行了理论分析和实验验证,结果表明:在0~1.2 N测量范围内,力实验灵敏度为889 pm/N,理论和实验的平均相对误差为6.6%,力分辨力为1.1 mN,位移灵敏度随着悬臂梁长度L的增大而减小,位移灵敏度在L为149 mm时为60.7 pm/mm,在L为99 mm时为200.3 pm/mm,位移分辨力为5μm,传感单元的线性度均达0.999以上,保持了优良的线性,可满足不同量程的微力和微位移应用场合。     

压阻悬臂梁的制造及特性研究

简述了硅压阻悬臂梁的工艺流程,在力学参数的测试中,利用原子力显微镜,测得杨氏模量约为133GPa;在力电耦合特性的测试中,原子力显微镜探针对悬臂梁自由端步进下压,利用半导体参数测试仪,测得悬臂梁的位移灵敏度为1.95×10-7(A)-1,力灵敏度为4.22×10-6nN-1.另一方面,与Coventorware模拟结果相比,灵敏度实验值大约是模拟值的1.4倍,与理论值近似,说明当硅悬臂梁厚度进入纳米尺寸后,量子效应和表面效应明显,压阻效应增强.     

介观压阻型硅锗加速度计研究

提出以介观压阻效应为工作原理制作高灵敏度压阻式硅锗加速度计,采用Si1-xGex/Si结构薄膜作为敏感元件,设计了一个双悬臂梁式的压阻武硅锗加速度计,通过理论分析与仿真计算,得出通过调整对该结构的外加应力可以实现对传感器灵敏度的调节,而且利用介观压阻效应原理可以将压阻式硅微加速度计的灵敏度提高一个数量级的结论,为设计新型压阻式硅微加速度计提供了一种思路.     

择优生长的多晶硅压阻统计理论

本文报道了计算择优生长的多晶硅压阻灵敏度的统计平均理论,由此得到了〈100〉、〈110〉〈111〉、〈211〉、〈311〉、〈331〉等低指数晶向择优生长的p型和n型多晶硅的平均晶粒压阻系数.将这些结果应用到具有多重择优晶向的多晶硅材料,经过计算可进一步得到多晶硅力敏电阻的灵敏度.对于制作在矩形膜中心区域的一系列多晶硅电阻,实验得到的结果与理论分析的结果符合得很好.这些结果为多晶硅压阻型压力传感器的设计提供了有效的手段.     

基于微悬臂梁的高灵敏红外光子探测

提出一种基于微悬臂梁的具有较高灵敏度的新型红外光子探测方法。该方法通过测量振动悬臂梁在光压作用下振幅的变化量来探测红外光子。实验中,将红外辐射光调制成正弦型或方波脉冲,并与微悬臂梁的激励信号保持同相或反相。实验结果表明,微悬臂梁振幅的改变量与红外光功率之间存在线性关系,并在10^-4 Pa的真空环境中最小可以探测到7.4 nW的红外光功率,另外还发现,方波脉冲调制光会增大微悬臂梁的振幅响应。     

基于光杠杆原理的微位移测量系统设计

基于原子力显微镜的工作原理,设计了一种端点带反光镜的悬臂梁,实现光点位移放大,并利用位置敏感器件(PSD)将光点位置信息转换成光电流,从而设计出一种微位移测量系统。该系统结构简单、灵敏度高,适用于微小位移量的测量。文中给出了该测量系统检测原理,设计了信号处理电路,利用压电元件对悬臂梁端点微位移进行了检测。该系统可检测的线性位移量程为0~50μm,线性度为1.79%FS,分辨力可达50nm。     

多晶硅薄膜压阻系数的理论研究

利用应力退耦模型,分别对多晶硅薄膜晶粒中性区和晶界势垒区的压阻系数进行了理论分析,并推导出多晶硅压阻系数的表达式.实验结果表明,利用文中推导出的理论公式所获得的计算值与实验测量结果基本符合,所给出的有关多晶硅压阻系数的理论结果可以作为多晶硅特性分析的理论依据.