【摘要】：納機電系統(tǒng)(NEMS)是在特征尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電系統(tǒng),具有超高的諧振頻率、高品質因數(shù)、超低功耗和小的尺寸質量等優(yōu)異性能,因此NEMS器件在高頻振蕩信號的產(chǎn)生與處理、超高靈敏質量探測等方面具有很好的應用前景。對重金屬的分析檢測一直是國內外研究和關注的熱點,現(xiàn)有的水環(huán)境中重金屬離子的檢測方法存在不能現(xiàn)場在線檢測或靈敏度不夠高等問題。納米梁/線是NEMS典型結構,利用納米梁質量改變引起高頻振動頻移的原理實現(xiàn)水環(huán)境中重金屬離子的痕量檢測,具有靈敏度高,傳感單元微小,可實現(xiàn)快速檢測等優(yōu)點。本文針對這種新型檢測方法開展研究,主要工作如下:1.對納米梁高頻振動特性以及通過納米梁頻移檢測加載質量的原理進行了推導分析,調研了各類NEMS諧振器檢測驅動方法,確定采用靜電驅動方法和壓阻檢測方法。基于上述原理設計了固支梁、懸臂梁、U型梁和H型梁結構,利用ANSYS軟件對振動模態(tài)和諧振頻率進行了仿真,確定納米梁諧振頻率理論值。2.選定具有矩形橫截面的[110]、[111]和[112]三種典型晶向的硅基納米雙端固支梁,采用分子動力學方法仿真了其振動特性。結果顯示一階諧振頻率隨其尺寸的變化規(guī)律同宏觀規(guī)律類似;諧振頻率模擬值與基于連續(xù)體理論的計算值存在很大差異;相同尺寸下不同晶向的梁諧振頻率存在差異且與宏觀大小順序相反。本文利用微觀納米梁表面效應的顯著程度的差別解釋了各種差異的原因。3.針對重金屬鉛離子(Pb~(2+))的吸附,對硅基納米梁表面修飾材料進行了制備與表征。選定對Pb~(2+)和硅梁都具有良好親和力的巰基功能化的介孔硅納米顆粒,采用軟模板法制備,TEM、SEM、EDS等表征。結果顯示修飾在硅金復合實驗片上的納米顆粒小球密集、分布較均勻、大小一致、直徑約30nm,且能夠吸附足夠量的Pb~(2+)。4.設計了各類硅基納米諧振梁版圖、工藝流程,對重點工藝討論分析。然后在中科院蘇州納米所采用0.5μm工藝加工,記錄詳細工藝參數(shù),總結了梁釋放過程中鋁金電極由于未涂膠保護被側蝕而導致外翻、釋放工藝中埋氧層SiO_2刻蝕不完全等問題,提出相應解決方案,實現(xiàn)硅基納米諧振梁加工。采用Polytec激光多普勒測振儀在常溫常壓進行了測試,成功檢測到一階諧振頻率在0.736MHz～1.608MHz的雙端固支梁的振動。
【圖文】：

它質量極其小，功耗只有 10-17W[2]，諧振頻率可具有 10-24N 的超高力學靈敏度[5]。這些優(yōu)異的性能使納米梁質量探測、超小力和超小位移檢測、生物化學傳感等方面有很諧振頻率使得納米梁器件在微小質量的檢測方面表現(xiàn)出異常的應用到水中重金屬離子的檢測這樣一種方法具備高靈敏度、傳，本文將對這種方法的實現(xiàn)進行探索性研究。概述統(tǒng)簡介icro-electromechanical Systems,MEMS)技術是 20 世紀 80 年代技技術。MEMS 是集微機械與微電子功能于一體的微型機電電路和電源等組成。它通常具有獲取信息、信息處理與控制及微機電系統(tǒng)示意圖。主要由傳感器、信號處理單元、通訊/過程主要是：輸入物理信號，利用傳感器將物理信號轉換為電擬信號處理，最后通過執(zhí)行器作用于外界。

件主要特性尺寸達到納米數(shù)量級，材料將會產(chǎn)生一些新的效應。這些效應使得更具優(yōu)越性，例如對外部阻尼運動非常敏感、很高的力學靈敏度、超部空間響應等等。但是由于是微小尺寸下產(chǎn)生的效應，使得 NEM和操作方式更加復雜，對器件工藝的要求明顯提高。MS 器件不同于 MEMS 器件的一些主要特性：質因數(shù) Q 值。諧振器件的品質因數(shù) Q 是指一個振動周期內，振動系內損失的能量的比值。因此諧振器件工作時，能量損耗越小，品質對外部阻尼運動非常敏感，這一點對于各種傳感器均具有重要的影得的品質因數(shù) Q 大概在 103到 105，這大大超過電子器件所能獲得的諧振頻率。NEMS 可以在保留較高機械響應度的基礎上獲得很高的諧易地達到甚至遠遠超過 GHz。同時這兩種特性組合帶來的效應可以超低功耗下的可操作性，以及在一種適度的控制力下產(chǎn)生有用的非線是美國加州理工大學研制的 SiC 雙端固支諧振梁，，其寬度為 100nm
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X832;O657.1

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本文編號：2688850