【摘要】：微懸臂梁探針因其特有的機(jī)械、電子以及光學(xué)性能,被廣泛的應(yīng)用在微傳感器以及原子力顯微鏡等領(lǐng)域。微懸臂梁探針是通過(guò)控制硅基表面形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)制造的,當(dāng)前,微懸臂梁探針多采用低壓化學(xué)蒸汽沉積、濺射以及化學(xué)腐蝕等方法進(jìn)行制備。然而上述方法均存在成型不穩(wěn)定,制造工序復(fù)雜,成型效率低等問(wèn)題�；诖�,本論文提出利用飛秒激光控制硅基表面形態(tài),通過(guò)改變硅基表面長(zhǎng)徑比來(lái)控制表面形態(tài),從而豐富微懸臂梁探針的制造方法。本論文主要從理論模型推導(dǎo)、數(shù)值模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面研究飛秒激光控制硅基表面形態(tài)。首先,基于相場(chǎng)模型推導(dǎo)硅基表面形態(tài)飛秒激光控制的理論模型,針對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算。其次,進(jìn)一步研究各控制參數(shù)對(duì)于硅基表面形態(tài)成型的控制規(guī)律。最后,對(duì)飛秒激光控制表面形態(tài)的相場(chǎng)模型理論進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)開(kāi)展硅基表面形態(tài)飛秒激光控制的相場(chǎng)模型研究。首先,根據(jù)飛秒激光照射硅基板誘導(dǎo)硅原子發(fā)生熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的機(jī)理,建立相應(yīng)的相場(chǎng)模型框架。其次,探討硅原子在溫度場(chǎng)中勢(shì)能變化的情況。研究表明,變化的勢(shì)能將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力并迫使硅原子由溫度低的位置向溫度高的位置進(jìn)行遷移。最后,根據(jù)相場(chǎng)模型推導(dǎo)飛秒激光控制硅基表面形態(tài)的數(shù)學(xué)模型。(2)基于相場(chǎng)模型理論,重點(diǎn)研究各控制參數(shù)對(duì)于硅基表面形態(tài)的成型規(guī)律。在相場(chǎng)模型中模擬出硅基表面形態(tài)的演化過(guò)程,并研究對(duì)應(yīng)的成型規(guī)律�；谙鄨�(chǎng)模型的數(shù)值模擬仿真,研究飛秒激光的功率、被照射材料的導(dǎo)熱率以及懸臂梁接觸材料的導(dǎo)熱性對(duì)于硅基表面形態(tài)長(zhǎng)徑比的影響。針對(duì)硅基表面形態(tài)長(zhǎng)徑比的變化情況,研究其成型規(guī)律,為控制成型高長(zhǎng)徑比的微懸臂梁探針奠定基礎(chǔ)。(3)針對(duì)飛秒激光照射硅基表面形態(tài)的相場(chǎng)模型數(shù)值模擬仿真,展開(kāi)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明,在相同的飛秒激光參數(shù)下,實(shí)驗(yàn)成型的硅基表面形態(tài)與相場(chǎng)模型模擬的表面形態(tài)在形貌以及長(zhǎng)徑比上保持基本一致。從而驗(yàn)證飛秒激光控制硅基表面形態(tài)的數(shù)值模擬仿真正確性。
【圖文】：

型機(jī)電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ，Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋Ｓｙｓｔｅｍ）中的微型傳感器都是采用逡逑微納米尺寸的硅基板進(jìn)行制造的。這些功能強(qiáng)大的微型機(jī)電系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用在微逡逑機(jī)器人以及微飛行器領(lǐng)域。如圖１．１所示的是一個(gè)微型的質(zhì)量傳感器［１，２］，可以用逡逑來(lái)測(cè)量細(xì)菌的質(zhì)量，其測(cè)量精度可達(dá)到１０＿１８ｇ。而對(duì)于圖１．２所示的是應(yīng)用原子力逡逑顯微鏡探測(cè)物體表面的示意圖。逡逑￣ＰＬＬ邋＾ｉ＇ｉ￣邋￣邋＾邐ｊ／邋／邋光電檢測(cè)邐？逡逑；Ｒ單元N：逡逑＾邐５邋ｖＬ，邋本激光＼邐／逡逑！邐＊邐Ｌ邐Ｊ邐＼邋／邋桂基板逡逑一細(xì)胞逡逑Ｉ邐邐邐邋Ｉ逡逑Ｉ邐一邐邐Ｉ逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑圖］．１測(cè)量病變細(xì)胞質(zhì)量的傳感器示意圖邐圖１．２原子力顯微鏡檢測(cè)表面示意圖逡逑微懸臂梁探針是微傳感器當(dāng)中最為至關(guān)重要的組成部分，一般多采用低壓化學(xué)逡逑蒸汽沉積、化學(xué)腐蝕以及濺射等技術(shù)［３］進(jìn)行制備。上述這些技術(shù)存在著實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂逡逑貴，制造工序極其復(fù)雜且成型效率低等一系列缺點(diǎn)�，F(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷一定程度逡逑上抑制了微懸臂梁在傳感器領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展。逡逑進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，飛秒激光脈沖憑借其超短脈寬和超強(qiáng)的瞬時(shí)功率等優(yōu)勢(shì)，逡逑Ｉ逡逑

一般對(duì)于微納米硅基板的表面成型多采用離子刻蝕以及化學(xué)腐蝕進(jìn)行制備，但逡逑上述制造方法的缺陷在于成型的表面形態(tài)過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有太高的實(shí)用價(jià)值。本文基逡逑于上述的缺陷，提出利用飛秒激光控制多樣性的硅基表面形態(tài)。其中關(guān)于硅基表面逡逑形態(tài)激光熱效應(yīng)成型以及硅基表面形態(tài)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀如下所述。逡逑１．２．］硅基表面形態(tài)成型研究逡逑二十世紀(jì)六十年代Ｂｉｒｎｂａｕｍ等人首次米用飛秒激光對(duì)半導(dǎo)體材料的上表面逡逑進(jìn)行照射，在高性能顯微鏡下觀察到周期性表面微形態(tài)。上述是關(guān)于飛秒激光控制逡逑表面形態(tài)的首次實(shí)驗(yàn)研究。上述的研宄在公開(kāi)發(fā)表的數(shù)年間，引起了大量研究人員逡逑針對(duì)飛秒激光照射半導(dǎo)體這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行研宄，其主要的研宄內(nèi)容是把被照射材逡逑料由半導(dǎo)體材料換成其它的材料，例如金屬材料或者非金屬材料。二十一世紀(jì)初期，逡逑Ｂｏｒｏｗｉｅｃ團(tuán)隊(duì)Ｗ在半導(dǎo)體磷化銦的上表面成型出頻率較高的周期性表面形態(tài)。同一逡逑時(shí)期，Ｊｉａ等人＾仍然用飛秒激光在金屬合金硒化鋅表面成型出納米數(shù)量級(jí)的光柵逡逑結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)，Ｚｈａｎｇ等人［ＩＱ］以一定的掃描頻率讓飛秒激光照射硅基板，通過(guò)改變逡逑飛秒激光的能量密度以及掃描頻率在硅基板上成型出線狀和面狀的表面形態(tài)陣列。逡逑２０１３年，，Ｂｏｎｓｃ等人采用飛秒激光通過(guò)嘗試不同的加工參數(shù)以及不同的加逡逑工環(huán)境等特定條件在金屬鈦表面形成小于ｌ00ｎｍ的波紋結(jié)構(gòu)，上述的研究從原先逡逑
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB306;TP212;TN249

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 龍清華;王永欣;陳錚;朱穎;;微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程中連續(xù)相場(chǎng)模型的應(yīng)用[J];熱加工工藝;2015年10期

本文編號(hào)：2642187