纳机电结构加工工艺的评价及表征方法研究.ppt

纳机电结构加工工艺的评价与表征方法研究 学 生 ：徐临燕 指导教师：胡小唐 栗大超 课题主线： 以纳米梁谐振器为测试对象 构成纳米梁的薄膜的纳米压痕测试 纳米梁机械力学特性的弯曲测试 纳米梁谐振器振动特性的谐振测试 最终实现对纳米梁谐振器加工工艺的评价与表征 纳米梁谐振器的优良特性 超高频率： 超低功率： ，其中 为热能量 高品质因数Q： 高质量灵敏度： 纳米梁谐振器的应用 射频（RF） 微小质量/生物传感器： 微小质量的物质或粒子吸附在谐振器表面可以引起其谐振频率的改变，由此实现微小质量的检测。若在其表面镀上某种物质的吸附层，便可实现对特定物质的检测，依据这一原理可以制成生物传感器，如病毒传感器、蛋白质传感器等。 纳米梁谐振器各类特性参数 构成纳米梁的薄膜材料的特性参数包括硬度、弹性模量、断裂韧度和残余应力等。 纳米梁的机械力学特性参数包括材料的弹性模量、抗弯强度、断裂韧度和疲劳极限等。 纳米梁谐振器的谐振特性参数主要包括谐振频率、振幅和品质因数Q。纳米梁谐振器的谐振测试实验还可以得到材料的弹性模量、残余应力、疲劳特性等。 纳米梁谐振器测试技术的研究现状 纳米梁结构的静态形貌测试 SEM方法、光学方法、AFM方法 纳米梁机械力学特性测试 基于纳米压痕仪和AFM的弯曲法、纳米压痕法 纳米级表面振动特性测试 SEM方法：图像分辨率和刷新率的均衡，工作频段低； 频闪相移干涉方法：分辨率低、工作频段低于1MHz ； 激光多普勒方法：激光光点大，工作频段低于30MHz； 电容检测方法：电路复杂，杂散电容耦合严重； AFM方法：快速、直接、稳定，但存在机械耦合和纳米 定位问题。 测试系统的选择 由于商用AFM具有多种工作模式且易于升级改造，在AFM中加入压痕模块和闭环反馈控制系统，我们可以很方便的实现薄膜的压痕测试并解决纳米梁弯曲测试中的纳米定位问题。 另外，通过对纳米梁的谐振特性测试的各种方法的比较，加入了闭环反馈控制系统的商用AFM可以有效克服光学测试方法中存在的分辨率低、频率响应低和电容检测方法中存在的电路复杂、杂散电容影响严重的缺点，完成高频纳米梁谐振器的高分辨率测试。 我们的测试系统以Veeco公司的Multimode AFM为平台，引入闭环反馈控制系统和压痕模块。 一、构成纳米梁薄膜的纳米压痕测试 原理：采用几何相似的压针在薄膜上一点加载、保持和卸载，记录加载和卸载过程中载荷-深度曲线。 二、纳米梁力学特性的弯曲测试 杨氏模量： 断裂应力： 断裂韧度： 疲劳特性：载荷幅度-循环次数 三、纳米梁谐振器振动特性的谐振测试 本课题的创新点在于： 1、测试系统的完善，以实现纳米级定位和测试精度； 2、修正厚度小于1微米薄膜的纳米压痕理论模型； 3、修正纳米梁弯曲测试理论模型； 4、AFM微悬臂梁针尖和振动样品表面相互作用模型的建立； 5、基于SPM的非接触测振技术的研究。 五、实验 1、直梁的弯曲实验 1、直梁的弯曲实验（续） 谢谢！ * * 载荷-深度曲线的卸载部分： 接触刚度： 接触深度： 接触面积： 硬度（hardness）： 折合模量 ： 材料弹性模量： 典型的载荷-位移曲线 加卸载过程中等效圆锥面探针压痕剖面 1 确定微悬臂梁灵敏度 2 轻敲模式下定位梁中点 3 力曲线模式下的弯曲测试 4 原位成像 纳米梁载荷-位移曲线 疲劳特性测试原理图 断裂韧度测试原理图 AFM测振原理：接触模式或轻敲模式下，当纳米梁的振动频率超过悬臂梁的带宽时，针尖位置反映样品振动包络。 测振步骤： 1、将探针定位于纳米梁的中点； 2、扫描中点附近一个小区域，可以选择接触模式或非接触模式； 3、给纳米梁谐振器加激励，继续扫描振动状态下的纳米梁； 4、每5~10根扫描线改变一次驱动频率或电压，得到梁表面的振动峰； 5、总结不同频率和电压下纳米梁谐振器的振动幅度，得到纳米梁谐振器 的幅频特性曲线和幅度-电压特性曲线。 疲劳特性测试原理图 双端固支梁：L＝2um，t＝200nm，