發(fā)布時(shí)間：2020-05-30 22:52

【摘要】：納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)是在特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類超小型機(jī)電系統(tǒng),具有超高的諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)、超低功耗和小的尺寸質(zhì)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(zhì)量探測等方面具有很好的應(yīng)用前景。對重金屬的分析檢測一直是國內(nèi)外研究和關(guān)注的熱點(diǎn),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(jié)構(gòu),利用納米梁質(zhì)量改變引起高頻振動(dòng)頻移的原理實(shí)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(shí)現(xiàn)快速檢測等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)特性以及通過納米梁頻移檢測加載質(zhì)量的原理進(jìn)行了推導(dǎo)分析,調(diào)研了各類NEMS諧振器檢測驅(qū)動(dòng)方法,確定采用靜電驅(qū)動(dòng)方法和壓阻檢測方法。基于上述原理設(shè)計(jì)了固支梁、懸臂梁、U型梁和H型梁結(jié)構(gòu),利用ANSYS軟件對振動(dòng)模態(tài)和諧振頻率進(jìn)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(dòng)力學(xué)方法仿真了其振動(dòng)特性。結(jié)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(jì)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(yīng)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(jìn)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(jié)果顯示修飾在硅金復(fù)合實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)了各類硅基納米諧振梁版圖、工藝流程,對重點(diǎn)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(xì)工藝參數(shù),總結(jié)了梁釋放過程中鋁金電極由于未涂膠保護(hù)被側(cè)蝕而導(dǎo)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(yīng)解決方案,實(shí)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(jìn)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(dòng)。
【圖文】：

它質(zhì)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(xué)靈敏度[5]。這些優(yōu)異的性能使納米梁質(zhì)量探測、超小力和超小位移檢測、生物化學(xué)傳感等方面有很諧振頻率使得納米梁器件在微小質(zhì)量的檢測方面表現(xiàn)出異常的應(yīng)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(shí)現(xiàn)進(jìn)行探索性研究。概述統(tǒng)簡介icro-electromechanical Systems,MEMS)技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代技技術(shù)。MEMS 是集微機(jī)械與微電子功能于一體的微型機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(dá)到納米數(shù)量級，材料將會(huì)產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。這些效應(yīng)使得更具優(yōu)越性，例如對外部阻尼運(yùn)動(dòng)非常敏感、很高的力學(xué)靈敏度、超部空間響應(yīng)等等。但是由于是微小尺寸下產(chǎn)生的效應(yīng)，使得 NEM和操作方式更加復(fù)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(zhì)因數(shù) Q 值。諧振器件的品質(zhì)因數(shù) Q 是指一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，振動(dòng)系內(nèi)損失的能量的比值。因此諧振器件工作時(shí)，能量損耗越小，品質(zhì)對外部阻尼運(yùn)動(dòng)非常敏感，這一點(diǎn)對于各種傳感器均具有重要的影得的品質(zhì)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(jī)械響應(yīng)度的基礎(chǔ)上獲得很高的諧易地達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 GHz。同時(shí)這兩種特性組合帶來的效應(yīng)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(xué)研制的 SiC 雙端固支諧振梁，，其寬度為 100nm
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X832;O657.1

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本文編號：2688850