專(zhuān)利名稱(chēng)：用于gaas nems的二維電子氣激勵(lì)和傳導(dǎo)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于真空的納米機(jī)械探測(cè)器，其將能量、力和質(zhì)量的一些方面(aspect)或者特性轉(zhuǎn)變成電響應(yīng)。
背景技術(shù)：
最近，薄懸式二維電子氣異質(zhì)結(jié)構(gòu)得到了完善，從而被應(yīng)用納米級(jí)傳感器件，例如Blick等在Phys.Rev.B62中敘述的。在Blick等的論文中，Appl.Phys.Lett.68，3763(1996)和Appl.Phys.Lett.73，1149(1998)，應(yīng)力感測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被集成到懸臂中用作撓度讀出器(deflection readout)。所采用的FET具有大約1000μS的跨導(dǎo)和大約10MΩ的小信號(hào)漏-源電阻，并且其應(yīng)變靈敏度被認(rèn)為是產(chǎn)生于壓電效應(yīng)。
對(duì)共振機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靈敏的探測(cè)總是依賴(lài)于至少一種下列因素將運(yùn)動(dòng)有效地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和使用低噪音的電讀出電路。一般地，對(duì)于在真空中工作的具有極高縱橫比的微米級(jí)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換有足夠的響應(yīng)度從而能夠探測(cè)到結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械振動(dòng)。然而，隨著器件的尺寸按比例縮小到納米級(jí)，為獲得熱機(jī)械振動(dòng)或者量子零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(quantum zero-point motion)的基本靈敏度極限所需的靈敏轉(zhuǎn)換保持一定縱橫比變得相當(dāng)困難。
因此，納機(jī)電器件的探測(cè)靈敏度大體上受讀出電路中線(xiàn)性電放大器的輸入噪音的限制，而不是受固有振動(dòng)的限制。為了避免該限制，在將信號(hào)傳輸?shù)骄€(xiàn)性電放大器之前，需要用非線(xiàn)性放大器放大該信號(hào)。幸運(yùn)的是，納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的一個(gè)主要特性是容易獲得非線(xiàn)性。
在過(guò)去數(shù)十年里已經(jīng)證實(shí)，一些微制造系統(tǒng)中存在機(jī)械參數(shù)放大。在所有這些系統(tǒng)中，諧振腔(resonator)運(yùn)動(dòng)的放大都是通過(guò)將諧振腔的彈簧常數(shù)調(diào)節(jié)在其自然頻率的兩倍實(shí)現(xiàn)的。這些系統(tǒng)的顯著特征是它們的帶寬、動(dòng)力學(xué)范圍和彈簧常數(shù)的調(diào)制特性。Rugar和Grutter首先證實(shí)了微制造器件中的機(jī)械參數(shù)放大。在他們的器件中，硅懸臂彈簧常數(shù)的電分量通過(guò)在懸臂和基板(baseplate)之間形成電容器并改變兩個(gè)表面上電極之間的電壓加以調(diào)制。他們的器件帶寬為ω0/4Q＝5.3Hz，其探測(cè)靈敏度足以獲得熱機(jī)械噪音壓縮(thermomechanical noise squeezing)的第一個(gè)范例。Dana等在部分金屬化砷化鎵懸臂中觀察到了參數(shù)放大，其中該懸臂被金屬與砷化鎵之間熱失配導(dǎo)致的殘余應(yīng)力彎曲。彈簧常數(shù)的調(diào)制是通過(guò)在待放大的小機(jī)械信號(hào)上疊加一個(gè)大的泵驅(qū)動(dòng)(pump drive)，從而獲得由彎曲的幾何形狀導(dǎo)致的二階幾何非線(xiàn)性。該實(shí)驗(yàn)中的帶寬也在6Hz的量級(jí)。Carr等在500kHz下工作的表面微機(jī)加工扭轉(zhuǎn)諧振腔(surfacemicromachined torsional resonator)中證實(shí)了參數(shù)放大，帶寬為1KHz。在該器件中，在諧振腔和襯底之間形成了電容器，且彈簧常數(shù)的電分量也是被外加通過(guò)電容器的泵信號(hào)調(diào)制的。所有這些實(shí)驗(yàn)顯示，機(jī)械增益最多為20，泵電壓的域值從200mV到幾伏。
用于VHF NEMS的平衡電子位移探測(cè)最近將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)按比例縮小到亞微米范疇的努力開(kāi)啟了有源研究的領(lǐng)域，同時(shí)吸引了技術(shù)和科研團(tuán)體的興趣。這些納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)具有達(dá)到微米波段的基波機(jī)械共振頻率，并且適用于許多重要的科技領(lǐng)域，例如超快驅(qū)動(dòng)器、傳感器和高頻信號(hào)處理部件。在實(shí)驗(yàn)方面，它們使得對(duì)新聲子介導(dǎo)的機(jī)械過(guò)程的研究和對(duì)介觀(mesoscopic)機(jī)械系統(tǒng)量子行為的研究成為可能。
開(kāi)發(fā)基于NEMS的技術(shù)并進(jìn)入由其開(kāi)啟的有趣實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域最需要的因素之一就是對(duì)亞微米位移敏感的靈敏、寬帶、芯片上轉(zhuǎn)換方法。盡管使用電耦合的磁、靜電和壓電傳感器已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)MEMS級(jí)位移的探測(cè)，但是這些技術(shù)中的大多數(shù)在亞微米等級(jí)上變得不靈敏。而且，由于伴隨NEMS尺寸的降低會(huì)不可避免地遇到雜散耦合(straycoupling)，大多數(shù)MEMS器件誘人的電子雙端口(two-port)激勵(lì)-探測(cè)構(gòu)型難以在NEMS級(jí)別上實(shí)現(xiàn)。
能夠良好地按比例縮小到NEMS范疇并且能夠與NEMS位移直接電子耦合的芯片上位移轉(zhuǎn)換方法是磁勢(shì)探測(cè)。對(duì)射頻(RF)NEMS的磁勢(shì)反射測(cè)量已經(jīng)被大量地使用并且被詳細(xì)地加以分析。用于該測(cè)量的工作電路如圖19(a)所示，其中NEMS被模擬為并聯(lián)RLC網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)由電源在ω下驅(qū)動(dòng)時(shí)，RL上的電壓能夠被探測(cè)為V0(ω)=VinRe+Zm(ω)RL+2(Re+Zm(ω))≅Vin(ω)Re+Zm(ω)RL+2Re---4.1]]>這里，Re是NEMS器件的電子DC耦合電阻，Zm(ω)是諧振腔的機(jī)械阻抗，RL和Rs分別是電源和負(fù)載的阻抗，并且進(jìn)行簡(jiǎn)化假定RL＝Rs＝50Ω。我們近似估計(jì)Re＞＞|Zm(ω)|，這是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況。顯然，由于和Zm(ω)成正比的NEMS位移導(dǎo)致的EMF測(cè)量值被淹沒(méi)(embeded)在與Re成正比的背景電壓中。這便于定義一個(gè)有用的參數(shù)——機(jī)械共振頻率下的探測(cè)效率，其是信號(hào)電壓S與背景B之比SB=RmRe---4.2]]>上面的表達(dá)式指示了反射、單端口磁勢(shì)位移探測(cè)的一些限制。首先，在沒(méi)有金屬化層或者具有高共振頻率(小機(jī)械阻抗)的目標(biāo)NEMS器件中，也就是當(dāng)Re＞＞Rm時(shí)，EMF的探測(cè)變得極具挑戰(zhàn)性。其次，信號(hào)中的電壓背景禁止使用探測(cè)電子的全部動(dòng)態(tài)范圍。位移激勵(lì)和探測(cè)的雙端口構(gòu)型可能通過(guò)提高S/B彌補(bǔ)上述問(wèn)題，但實(shí)際上，端口之間的雜散電子耦合典型地會(huì)主導(dǎo)響應(yīng)的測(cè)量值。
超高頻碳化硅納米機(jī)械諧振腔最近，人們?cè)谥圃旌蜏y(cè)量基波共振頻率達(dá)到UHF(超高頻率)和微米波帶的納米機(jī)械諧振腔中付出了巨大的努力。這些研究和發(fā)展無(wú)論在科學(xué)上還是技術(shù)上都具有很大的重要性。在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，這種器件為通過(guò)觀察介觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)檢驗(yàn)量子力學(xué)和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量子極限的超敏感測(cè)量提供了誘人的潛力。在技術(shù)方面，當(dāng)用作高分辨率傳感器和致動(dòng)器，或者用作高速信號(hào)處理部件時(shí)，納米機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)能夠提供比現(xiàn)今工業(yè)上使用的大得多的可集成性。
最近，Cornell大學(xué)的Carr等報(bào)道，成功地測(cè)量了基波共振頻率高達(dá)380MHz的單懸導(dǎo)線(xiàn)(single suspended wires)。然而，在他們的論文中指出，“長(zhǎng)度小于2μm的導(dǎo)線(xiàn)不容易被探測(cè)”，這暗示，如果將來(lái)沒(méi)有重大的新進(jìn)展，那么380MHz接近于由他們的技術(shù)能夠獲得的最高基波共振頻率。
通過(guò)洛倫茲力頻率調(diào)諧MEMSINEMS諧振腔將MEMS用作高性能傳感器和傳感器，需要在制造之后對(duì)器件頻率進(jìn)行調(diào)諧或調(diào)節(jié)。在MEMS文獻(xiàn)中提出了幾種用于器件頻率調(diào)諧的不同方法，可將機(jī)械共振調(diào)高達(dá)數(shù)倍。這些方法能夠被經(jīng)典地分成兩類(lèi)，即改變由機(jī)械彈簧提供的回復(fù)力的方法和補(bǔ)充由機(jī)械彈簧提供的回復(fù)力的方法。前一種方法中最簡(jiǎn)單的實(shí)例是被鉗制梁的熱振蕩(thermal cycling)。隨著梁隨溫度的改變而縮短或者延長(zhǎng)，共振頻率由于梁內(nèi)感生的應(yīng)力而偏移。后一種實(shí)例通過(guò)補(bǔ)償微機(jī)械器件中的靜電激勵(lì)器而實(shí)現(xiàn)，其中靜電激勵(lì)器與機(jī)械彈簧力一起提供靜電回復(fù)力。
因?yàn)镹EMS器件中的機(jī)械共振頻率越高意味著彈簧常數(shù)越高，所以可以預(yù)期，通過(guò)改變機(jī)械回復(fù)力的力調(diào)諧在高頻諧振腔中效果較小。為了評(píng)估高頻率MEMS(f＞1MHz)的調(diào)諧前景，我們就器件頻率對(duì)恒力(constant force)和溫度改變的依賴(lài)性進(jìn)行了一些研究。我們的測(cè)量結(jié)果指出，隨著器件頻率提高，調(diào)諧效應(yīng)確實(shí)變得不明顯，隱沒(méi)在其它的影響之中，例如熱頻率偏移等。當(dāng)共振頻率超過(guò)5MHz時(shí)，使用我們目前的技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)力調(diào)諧。在較低頻諧振腔中(1MHz＜f＜3.5MHz)，結(jié)構(gòu)在微機(jī)械制造期間產(chǎn)生的應(yīng)力以及電接觸層中的應(yīng)力可能控制低力調(diào)諧的應(yīng)用。熱調(diào)諧也強(qiáng)烈地依賴(lài)于器件的頻率，具有最大彈簧常數(shù)的器件顯示出最小的調(diào)諧。
利用磁勢(shì)轉(zhuǎn)換對(duì)彎曲和扭轉(zhuǎn)諧振腔進(jìn)行位移探測(cè)的最終限制微機(jī)械器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工作頻率為1-100kHz的電子器件。因此，目前存在許多完善建立的適合于該頻率范圍的運(yùn)動(dòng)探測(cè)技術(shù)。因?yàn)樵诔^(guò)100MHz下工作的納米機(jī)械器件被預(yù)期會(huì)在RF信號(hào)處理中發(fā)揮重要作用，所以需要全面地說(shuō)明這些技術(shù)在該頻率范圍內(nèi)的特性。特殊探測(cè)技術(shù)的使用取決于三個(gè)因素(1)將運(yùn)動(dòng)高效地轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)，(2)信號(hào)與測(cè)量裝置高效耦合，和(3)低噪音探測(cè)器的可實(shí)現(xiàn)性?，F(xiàn)在需要的是量化在微機(jī)械諧振腔部分中描述的磁勢(shì)探測(cè)技術(shù)的性能。
NEMS陣列標(biāo)量分析器/相關(guān)器機(jī)械陣列頻譜分析器的概念已經(jīng)提出了數(shù)十年。在一個(gè)眾所周知的實(shí)施例中，分析器通過(guò)共振簧片(懸臂)起作用，該共振簧片(懸臂)由外加的隨時(shí)間改變的波形加以諧振或者靜電驅(qū)動(dòng)。如果信號(hào)所含的頻譜權(quán)重(spectral weight)位于給定元件能夠進(jìn)行共振響應(yīng)的波帶內(nèi)，則能夠使該元件運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)的幅度與該波帶的頻譜權(quán)重成比例。這些器件的一個(gè)普通應(yīng)用是作為例如旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速計(jì)，該實(shí)例中使用由軸編碼器產(chǎn)生的AC電壓靜電地驅(qū)動(dòng)簧片陣列。
微懸置器件能夠形成超敏熱輻射探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)(basis)，因?yàn)樗鼈兊臒崛輼O小，熱傳導(dǎo)極少，并由于這兩個(gè)孿生性質(zhì)導(dǎo)致其熱響應(yīng)時(shí)間極快。先前技術(shù)利用這些性質(zhì)論證了微型MEMS陣列IR成像儀(imager)。元件被機(jī)械地讀出；根據(jù)IR輻射的吸收，覆蓋層產(chǎn)生與下置懸臂器件相比不同的熱膨脹。然后通過(guò)分離光位移讀出方法(separate optical displacement readout scheme)探測(cè)應(yīng)變導(dǎo)致的彎曲。該領(lǐng)域的其他工作是基于在懸臂式微型器件上形成圖案的不同材料之間產(chǎn)生的溫差電壓。該實(shí)例中，盡管讀出是電性的，但是功能性的提高仍然來(lái)自于孤立(isolated)傳感元件的微小(微米級(jí))特性。
現(xiàn)在需要的是，通過(guò)使用NEMS技術(shù)獲得從UHF到微波頻率的機(jī)械響應(yīng)，為超低工作功率水平和單光刻、超壓縮格式提供前景，從而復(fù)興這種分析器。

發(fā)明內(nèi)容
納機(jī)電系統(tǒng)，或者NEMS，是按比例縮小到亞微米尺寸的機(jī)械器件。在該尺寸范圍內(nèi)，有可能獲得極高的基頻，同時(shí)為共振機(jī)械響應(yīng)保留非常高的機(jī)械響應(yīng)性(小力常數(shù))和相當(dāng)高的品質(zhì)因數(shù)(Q)。這些性質(zhì)的強(qiáng)力組合直接轉(zhuǎn)變成用于機(jī)械感測(cè)的光學(xué)特性，例如a)高能量、力和質(zhì)量敏感性b)能夠在超低電壓下工作c)用非常中等的控制力產(chǎn)生可用的非線(xiàn)性的能力。
因此，NEMS產(chǎn)生了需要快響應(yīng)時(shí)間的機(jī)電器件裝置；能夠獲得與當(dāng)今大多數(shù)純電子器件相當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。
有可能實(shí)現(xiàn)多端口機(jī)電器件，也就是，具有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)端口的器件。其中，單個(gè)機(jī)電傳感器能夠同時(shí)提供輸入刺激，也就是信號(hào)力(signal force)，和讀出機(jī)械響應(yīng)，也就是輸出位移。在下文中，它們分別被稱(chēng)作激勵(lì)器和(位移)傳感器。通過(guò)附加的控制傳感器，能夠施加電信號(hào)——準(zhǔn)靜止的或隨時(shí)間改變的——并將其轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)靜止的或者隨時(shí)間改變的力，其以可控的或者有用的方式激勵(lì)或者擾動(dòng)機(jī)械元件的性質(zhì)。利用機(jī)電轉(zhuǎn)換和激勵(lì)的不同物理過(guò)程允許這些端口之間產(chǎn)生高度獨(dú)立的相互作用，能夠有效地在輸入、輸出端口之間以及有可能在多控制端口之間實(shí)現(xiàn)“正交”。換言之，每個(gè)端口都能夠與機(jī)械元件強(qiáng)烈地相互作用，同時(shí)彼此之間保持相對(duì)弱的直接耦合。對(duì)于隨時(shí)間改變的刺激，當(dāng)以頻率轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)時(shí)，該正交能夠通過(guò)被調(diào)諧的或者窄帶傳感器加以提供，該傳感器響應(yīng)來(lái)自控制信號(hào)，例如泵信號(hào)，的(頻率)選擇輸入和輸出信號(hào)。
信號(hào)范疇與位移之間的轉(zhuǎn)換位移范疇的輸出信號(hào)能夠是靜態(tài)偏移、共振響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)調(diào)制誘發(fā)的振幅、穩(wěn)態(tài)諧波調(diào)制誘發(fā)的振動(dòng)、或者噪音頻譜修飾等。下表代表了轉(zhuǎn)換模式的范圍

納米機(jī)械傳感器服從元件服從元件是尺寸按比例縮小到亞微米尺寸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它們可以移動(dòng)或者被替代。由于它們的尺寸極小，所以它們能夠作為微觀世界的有效探針。這些結(jié)構(gòu)通常用半導(dǎo)體材料制成。例如，在本發(fā)明中，我們使用GaAs、Si、SiC和GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)。有時(shí)，能夠使用純金屬或者金屬合金。材料的選擇很大程度上取決于它們的電、化學(xué)和機(jī)械性能。傳感器的幾何形狀是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。有限元仿真在評(píng)估共振頻率、彈簧常數(shù)、力/質(zhì)量敏感性時(shí)是有用的。
傳感器傳感器是產(chǎn)生壓電、壓阻、磁勢(shì)轉(zhuǎn)變或者其它從輸入信號(hào)范疇到感測(cè)形式轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)。典型地，傳感器是用于產(chǎn)生由洛侖茲力產(chǎn)生的emf的組成結(jié)構(gòu)層(compositional structural)或者電流路徑和電源。
驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器(actuator)是產(chǎn)生NEMS器件機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，其可以是用于在磁勢(shì)傳感器中產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)洛侖茲力的外部電流和磁場(chǎng)的組合，在相鄰電極上產(chǎn)生偶極子場(chǎng)的電流，或者甚至周?chē)后w的隨機(jī)熱振動(dòng)。
納米機(jī)械傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)包括簡(jiǎn)單的一元系統(tǒng)，或者更復(fù)雜的復(fù)合元件設(shè)計(jì)以獲得特殊的功能性。傳感器中產(chǎn)生的感測(cè)電信號(hào)或者傳感器電參量的改變可以在橋、單端口、雙端口或者其他的多端口組合中加以感測(cè)。
本說(shuō)明書(shū)中的“NEMS”用于表示至少有一個(gè)維度等于或者小于一個(gè)微米的器件。并不排除如下的可能，即“NEMS”器件可以具有一個(gè)或者多個(gè)大于一個(gè)微米的維度。而且，可以理解，尺寸等于或者低于一個(gè)微米的器件的特性與尺寸大于一個(gè)微米的器件的特性之間的區(qū)分沒(méi)有明顯的界限。該術(shù)語(yǔ)更有意義的重要性在于，所討論的“NEMS”器件可以分享被按比例縮小到亞微米尺寸的類(lèi)似器件的某些特性，其中該特性?xún)H屬于亞微米器件或者操作。
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，其產(chǎn)生基于我們的能力的高分辨率位移讀出，從而獲得很高靈活性的懸置式量子線(xiàn)。雙端口傳感器的阻抗僅5kΩ。分子束外延(MBE)生長(zhǎng)材料被直接繪制圖形，并使用共面柵(in-plane gates)(IPG)激發(fā)振動(dòng)。不需要金屬化。因此能夠獲得高Q值。
本文說(shuō)明的機(jī)械參數(shù)放大器是解決探測(cè)靈敏度問(wèn)題的一個(gè)特殊方法，它使用NEMS固有的幾何非線(xiàn)性。
本發(fā)明可以更明確地定義為單光刻制造裝置，其包括雙鉗制懸臂梁，該懸臂梁具有亞微米的寬度，在梁內(nèi)部或者上面制造的不對(duì)稱(chēng)布置機(jī)電轉(zhuǎn)換層。在梁的亞微米范圍內(nèi)提供至少一個(gè)側(cè)驅(qū)動(dòng)?xùn)拧?br> 不對(duì)稱(chēng)布置的機(jī)電轉(zhuǎn)換層包括梁內(nèi)的不對(duì)稱(chēng)布置壓電層。該梁用2DEG異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造。
在一個(gè)實(shí)施例中，梁具有電接觸，并形成具有輸出端口的雙端口電路，并進(jìn)一步包括一個(gè)與梁并聯(lián)的感應(yīng)器和一個(gè)與梁的輸出端口耦合的阻塞電容器(blocking capacitor)。一個(gè)低噪音低溫放大器耦合于該阻塞電容器。
柵具有柵偶極子電荷分離(separation)，且梁具有梁偶極子電荷分離，從而梁和柵通過(guò)偶極子-偶極子相互作用而相互作用。側(cè)柵包括一個(gè)2DEG層。
在例證性實(shí)施例中，梁和側(cè)柵包括一個(gè)芯片，并且進(jìn)一步包括一個(gè)在上面布置該芯片的襯底，該襯底上面形成一個(gè)電極，其中柵在襯底電極與柵之間具有柵偶極子電荷分離。梁具有梁偶極子電荷分離，梁和柵的相互作用是通過(guò)偶極子-偶極子相互作用。
在一個(gè)實(shí)施例中，梁和柵用由2DEG GaAs壓電層構(gòu)成的不對(duì)稱(chēng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊制造而成，兩個(gè)夾層AlGaAs隔離層位于GaAs層的兩側(cè)，第一和第二AlGaAs:Si施主層分別位于AlGaAs隔離層的上面和下面，兩個(gè)GaAs帽層分別位于AlGaAs:Si施主層的上面和下面。2DEG GaAs壓電層下面的每個(gè)層的厚度大于2DEG GaAs壓電層上面的相應(yīng)層。在堆疊下面布置一個(gè)AlxGa1-xAs犧牲層，在AlxGa1-xAs犧牲層下面布置一個(gè)襯底，其中0＜x＜1。
裝置可以進(jìn)一步包括兩個(gè)柵，每一個(gè)都布置在梁的亞微米范圍內(nèi)，且每一個(gè)都具有一個(gè)柵偶極子電荷分離。
裝置進(jìn)一步包括一個(gè)向梁提供感測(cè)電流的電源，和一個(gè)與梁電路連接以產(chǎn)生輸出信號(hào)的放大器。在例證性實(shí)施例中，放大器是低溫的。
感測(cè)電流源向梁提供DC和AC感測(cè)電流。
在一個(gè)實(shí)施例中，梁的轉(zhuǎn)換層是壓電的，用于誘發(fā)梁的振動(dòng)，也是壓阻的，用于感測(cè)梁的振動(dòng)。
本發(fā)明還進(jìn)一步涉及對(duì)用于形成具有二維電子氣層的懸臂式NEMS梁的方法的改進(jìn)，包括如下步驟提供一個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊，其包括位于犧牲層上面的2DEG層；在堆疊上選擇性地設(shè)置掩模從而為NEMS梁限制圖形；用Cl2/He等離子體腐蝕劑干腐蝕掉堆疊的暴露部分從而基本上不改變2DEG層電性能地限定NEMS梁；和腐蝕掉犧牲層從而釋放NEMS梁。
用Cl2/He等離子體腐蝕劑干腐蝕掉堆疊暴露部分的步驟包括分別以1∶9的流速比向ECR等離子體室內(nèi)供應(yīng)Cl2和He。
向ECR等離子體室內(nèi)提供Cl2和He的步驟進(jìn)一步包括將堆疊保持在等于或者小于150V的自偏壓和20W的恒定RF功率下，和用大約300W或者更高的微波功率使Cl2和He氣體離子化。
本發(fā)明還涉及NEMS參數(shù)放大器，其包括一個(gè)懸臂式振蕩亞微米信號(hào)梁，其被限制在一個(gè)平面內(nèi)，對(duì)于共面運(yùn)動(dòng)具有彎曲的(flexual)彈簧常數(shù)，并且以等于或者接近信號(hào)梁機(jī)械共振的頻率在ω下加以驅(qū)動(dòng)；一對(duì)泵梁，其耦合于信號(hào)梁，并在等于或者接近2ω下加以驅(qū)動(dòng)；一個(gè)磁場(chǎng)源，其施加一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)具有至少一個(gè)垂直于信號(hào)梁和泵梁對(duì)的分量；和一個(gè)交變電源，其與泵梁電耦合，在磁場(chǎng)的存在下施加一個(gè)通過(guò)泵梁的電流從而在泵梁上產(chǎn)生一個(gè)被調(diào)制的洛侖茲力，被調(diào)制的洛侖茲力順次向信號(hào)梁施加一個(gè)振蕩收縮和伸張的力從而擾動(dòng)信號(hào)梁共面振動(dòng)的彎曲彈簧常數(shù)。放大器可以與梁耦合。
泵梁和信號(hào)梁在平面內(nèi)共同形成一個(gè)H形結(jié)構(gòu)，該信號(hào)梁形成H形結(jié)構(gòu)的中間部分。泵梁被調(diào)諧成以2ω共振。
本發(fā)明還涉及操作上述NEMS參數(shù)放大器的方法。
本發(fā)明還涉及亞微米懸臂，其特征是具有限制部分的NEMS懸臂的亞微米位移；一個(gè)耦合于懸臂的壓阻應(yīng)變傳感器外延層；其中G是裝置的量規(guī)因數(shù)，由下給出G=3βπLK(2l-l1)2bt2RT]]>其中參數(shù)πL是壓阻傳感器材料的壓阻系數(shù)，因此β表征由于傳導(dǎo)層的有限厚度導(dǎo)致的G的降低，K是懸臂的彈簧常數(shù)，l是懸臂的全長(zhǎng)，l1是限制部分的長(zhǎng)度，b是限制部分的厚度，t是限制部分的厚度的厚度，RT是傳感器的雙端阻抗。
接近共振，熱機(jī)械振動(dòng)的力頻譜密度由下給出SFγ=4kBTr=4KkBT/(2πQf0)]]>其中，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度，γ是阻尼系數(shù)，f0是共振頻率，Q＝mf0/γ是品質(zhì)因數(shù)，m是懸臂質(zhì)量。
接近共振，熱機(jī)械振動(dòng)的電壓頻譜密度由下給出SVγ=SFγG2l216π2m2f02[4(f-f0)2+f02/Q]]]>其中f是懸臂的振蕩頻率。
本發(fā)明涉及用于按比例縮小和確定NEMS器件中載流子分布的方法，該NEMS器件具有位于本征層(instrinsic layer)上的不同摻雜濃度和不同厚度的摻雜層，該方法包括提供具有預(yù)定厚度的摻雜層；在摻雜層中提供摻雜濃度；調(diào)制費(fèi)米能級(jí)直到通過(guò)滿(mǎn)足如下條件獲得電荷中性∫0l(ρ(x)/e+NA-(x))dx=0]]>其中， 是離子化受體位點(diǎn)的密度，其中ρ是由費(fèi)米統(tǒng)計(jì)給出的載流子體積密度，ρ(x)＝e(p(x)-n(x))，且正和負(fù)載流子密度分別是p(x)=1.04×1025e-β(EF-EV)/m3]]>n(x)=2.8×1025e-β(EC-EF)/m3]]>其中β是1/kT，EF是費(fèi)米能，EV是價(jià)帶能，EC是導(dǎo)帶能；根據(jù)如下的方程確定價(jià)帶的彎曲d2EVdz2=eρ(x)ϵ]]>其中EV是價(jià)帶能，ε是介電常數(shù)，e是電子電荷，邊界條件為d2EVdz2|z=0=eσϵ.]]>其中σ是經(jīng)驗(yàn)表面載流子密度；重復(fù)執(zhí)行上述的調(diào)制和確定步驟直到使載流子密度ρ獲得收斂。
本發(fā)明還涉及一種橋電路，其包括一個(gè)激勵(lì)信號(hào)源；一個(gè)與源耦合的功率分配器，用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的兩個(gè)異相分量；一個(gè)與功率分配器耦合的第一激勵(lì)端口；一個(gè)與功率分配器耦合的第二激勵(lì)端口；一個(gè)與第一激勵(lì)端口耦合的第一電路，包括具有被轉(zhuǎn)換電輸出的第一NEMS共振梁；一個(gè)與第二激勵(lì)端口耦合的第二電路，包括具有被轉(zhuǎn)換電輸出的第二NEMS共振梁，該第一和第二梁彼此相互匹配；和一個(gè)探測(cè)端口，其與DC耦合電阻Re和NEMS共振梁耦合。
該橋進(jìn)一步包括一個(gè)可變衰減器和一個(gè)相移位器，它們與第一和第二電路臂的相對(duì)末端電耦合。與沒(méi)有該衰減器相比，有該衰減器能夠更加精確地平衡第一和第二電路臂之間的輸出阻抗失配，同時(shí)相移位器補(bǔ)償由于包括該衰減器導(dǎo)致的相失衡。
NEMS共振梁包括一個(gè)用于吸附測(cè)試材料的表面，其中NEMS共振梁的性能受到測(cè)試材料的影響并由該橋加以測(cè)量。
該橋進(jìn)一步包括一個(gè)放大器和一個(gè)將探測(cè)端口耦合于該放大器的輸出阻抗失配電路。第一和第二NEMS共振梁是磁勢(shì)NEMS共振梁，并且沒(méi)有金屬化。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及平衡上述橋電路中兩個(gè)NEMS器件的輸出的方法。
本發(fā)明被定義為一種設(shè)備，其包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)源；一個(gè)與源耦合的功率分配器，用于產(chǎn)生反相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第一磁勢(shì)NEMS共振梁，其與功率分配器所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一個(gè)相相耦合；第二磁勢(shì)NEMS共振梁，其與功率分配器所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的另一個(gè)相相耦合；一個(gè)接線(xiàn)端，其與兩個(gè)磁勢(shì)NEMS共振梁耦合；一個(gè)放大器，其與接線(xiàn)端耦合；和一個(gè)耦合于放大器的裝置，該裝置用于測(cè)量設(shè)備前向傳輸系數(shù)S21的頻率依賴(lài)性。
第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁由SiC構(gòu)成，并且進(jìn)行共面共振和異面共振。在其中一個(gè)NEMS共振梁上布置一個(gè)的吸附表面，并通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)量吸附物在吸附表面上的吸附。
本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括如下步驟提供激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)異相分量；向具有第一被轉(zhuǎn)換電輸出的第一NEMS共振梁提供其中一個(gè)異相分量；向具有第二被轉(zhuǎn)換電輸出的第二NEMS共振梁提供其中另一個(gè)異相分量，該第一和第二梁彼此相匹配；振動(dòng)第一和第二NEMS共振梁；加和第一和第二被轉(zhuǎn)換電輸出從而產(chǎn)生平衡探測(cè)輸出信號(hào)；在放大器中放大平衡探測(cè)輸出信號(hào)；和測(cè)量正向傳輸系數(shù)S21的頻率依賴(lài)性。
振動(dòng)第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁的步驟包括使梁進(jìn)行共面共振和/或異面共振。
本發(fā)明可以被進(jìn)一步定義為對(duì)磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)的亞微米NEMS共振梁的一種改進(jìn)，其包括一個(gè)亞微米SiC NEMS梁，其具有一個(gè)表面，軸長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，楊氏模量為E，質(zhì)量密度為ρ，位移幅度為A；一個(gè)磁場(chǎng)源，B；一個(gè)布置在梁表面上的電極裝置，用于沿著梁的軸向長(zhǎng)度的至少一部分傳導(dǎo)電流；一個(gè)耦合于電極裝置第一末端的交流電源，從而磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)SiC NEMS梁到一個(gè)共振頻率f0=EρEL2;]]>和一個(gè)耦合于電極裝置第二末端的探測(cè)器，從而探測(cè)從SiC NMES梁產(chǎn)生的Vemf，Vemf∝BAEρWL.]]>電極裝置包括一個(gè)單電極，其耦合于交流電源，用于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中的梁，并耦合于探測(cè)器，用于感測(cè)由梁的運(yùn)動(dòng)在電極中產(chǎn)生的EMF。
電極裝置包括一個(gè)耦合于交流電源的第一電極，用于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中的梁，和一個(gè)耦合于探測(cè)器的第二電極，用于感測(cè)由梁的運(yùn)動(dòng)在電極中產(chǎn)生的EMF。
SiC NEMS梁的尺寸和參數(shù)能夠提供處于UHF范圍和更高的、特別是微波L帶范圍內(nèi)的基波共振頻率。
本發(fā)明涉及調(diào)諧具有異面共振的亞微米NEMS器件的方法，包括如下步驟提供一個(gè)磁場(chǎng)，在其中布置NEMS器件；向NEMS器件提供AC電流，從而使NEMS器件在磁場(chǎng)中以共振頻率振蕩；向NEMS器件提供DC電流，從而以恒定的洛倫茲力調(diào)諧NEMS器件的異面共振頻率。
向NEMS器件提供DC電流的步驟包括向金屬化提供DC電流。
NEMS器件還具有共面共振，且該方法進(jìn)一步包括改變NEMS器件的溫度從而調(diào)諧NEMS器件的異面和共面共振的步驟。
本發(fā)明還涉及一種可調(diào)諧NEMS器件，其具有通過(guò)上述方法調(diào)諧的異面共振。該NEMS器件包括一個(gè)半導(dǎo)體-金屬雙層，其由單晶高摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成，且上面布置的金屬化是多晶金屬以減少半導(dǎo)體-金屬雙層中的應(yīng)力。
本發(fā)明的特點(diǎn)是對(duì)共振亞微米單端口NEMS器件的一種改進(jìn)，其包括一個(gè)共振梁，其寬度為W，厚度為t，軸長(zhǎng)為L(zhǎng)，探測(cè)器負(fù)載電阻為RL，等價(jià)機(jī)械阻抗為Rm。該NEMS器件在相應(yīng)于波長(zhǎng)λ的頻率下工作，在導(dǎo)電率為σ的梁上具有一個(gè)電極，從而插入損失(insertionloss)ε被定義為ϵ1=α2(1+α)(1+α+RmλσtwL),]]>其中α=λσRLtwL]]>被最小化或者接近1。
本發(fā)明涉及對(duì)共振亞微米雙端口NEMS器件的一種改進(jìn)，其包括一個(gè)共振梁，其寬度為W，厚度為t，軸長(zhǎng)為L(zhǎng)，探測(cè)器負(fù)載電阻為RL，等價(jià)機(jī)械阻抗為Rm。該NEMS器件在相應(yīng)于波長(zhǎng)λ的頻率下工作，在導(dǎo)電率為σ的梁上具有一個(gè)電極，從而插入損失ε被定義為ϵ2=12α12(1-α1-0.75α)12,]]>其中α=λσRLtwL]]>被最小化或者接近1。
本發(fā)明涉及對(duì)耦合于負(fù)載電阻為RL的放大器的雙端口、直、雙鉗制NEMS磁勢(shì)梁的一種改進(jìn)，該NEMS梁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為t，寬度為w，楊氏模量為E，質(zhì)量密度為ρ，位于磁場(chǎng)內(nèi)，其金屬化的導(dǎo)電率為σ，溫度為T(mén)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)波長(zhǎng)為λ，共振頻率為f0，放大器頻譜功率密度為Sav。通過(guò)選擇使頻譜位移靈敏度Smx(2)等于或者大于與NEMS梁的熱波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的頻譜位移密度，該頻譜位移靈敏度Smx(2)如下定義SX(2)m=1.68σ12λ12B(ρE)18f0-34t-34w-12[kBT+SVaRL(1-0.75α1-α)]12]]>其中kB是洛侖茲常數(shù)，且α=0.99RLσλ(ρE)14f012t12w.]]>本發(fā)明涉及一種用Si膜制造NEMS梁的方法，包括如下步驟提供Si襯底；在Si襯底上布置SiO2層；在SiO2層上布置Si外延層；選擇性各向異性腐蝕Si襯底的一部分直至用作停止層的SiO2層；選擇性腐蝕SiO2層的一部分暴露出懸浮的Si外延層膜；和在懸浮的Si外延層膜內(nèi)形成NEMS梁，借此避免毛細(xì)扭曲(capillary distortion)，并獲得電子束分辨率而沒(méi)有來(lái)自襯底的直接散失。
本發(fā)明涉及一種用GaAs膜制造NEMS梁的方法，包括如下步驟提供GaAs襯底；在GaAs襯底上布置AlGaAs層；在AlGaAs層上布置GaAs外延層；選擇性各向異性腐蝕GaAs襯底的一部分直至用作停止層的AlGaAs層；選擇性腐蝕AlGaAs層的一部分暴露出懸浮的GaAs外延層膜；和在懸浮的GaAs外延層膜內(nèi)形成NEMS梁。
選擇性各向異性腐蝕GaAs襯底的一部分直至用作停止層的AlGaAs層的步驟，包括用NH4OH或者檸檬酸溶液腐蝕。用NH4OH溶液腐蝕的步驟包括，用在腐蝕前新鮮配制的由NH4OH和H2O2構(gòu)成的溶液腐蝕，其體積比近似為1∶30。
用檸檬酸溶液腐蝕的步驟，包括用室溫浴液腐蝕，該室溫浴液包括與去離子水按重量比1∶1混合并完全溶解的檸檬酸一水化合物，然后將該1∶1混合物與H2O2以3∶1體積比混合形成浴液。
本發(fā)明涉及一種NEMS陣列分析器，其包括兩個(gè)相對(duì)平行的襯底；多個(gè)從其中一個(gè)襯底延伸的壓阻NEMS懸臂，每個(gè)NEMS懸臂具有不同的共振頻率從而相應(yīng)的多個(gè)共振頻率覆蓋所選擇的頻譜范圍；和多個(gè)從另一個(gè)襯底延伸的驅(qū)動(dòng)/傳感元件，每個(gè)驅(qū)動(dòng)/傳感元件主要與多個(gè)壓阻NEMS懸臂耦合。
本發(fā)明涉及一種NEMS陣列分析器，包括一個(gè)框；多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)，其形成相互作用的陣列從而形成光衍射柵；用于響應(yīng)輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)的裝置；和光源，用于照明該多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)；和探測(cè)器裝置，用于探測(cè)來(lái)自多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)的衍射光，這些結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用作為隨時(shí)間改變的衍射柵。
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)傳感陣列，包括多個(gè)應(yīng)變傳感NEMS懸臂，每一個(gè)上面都布置有響應(yīng)相應(yīng)分析物的覆蓋層，覆蓋層的響應(yīng)在相應(yīng)懸臂上施加一個(gè)應(yīng)變；和用于探測(cè)多個(gè)應(yīng)變傳感NEMS懸臂中每一個(gè)的應(yīng)變的裝置。覆蓋層的響應(yīng)包括覆蓋層體積的擴(kuò)張或者收縮變化，其導(dǎo)致在相應(yīng)懸臂上施加應(yīng)變使其彎曲，且其中用于探測(cè)的裝置包括用于探測(cè)每個(gè)懸臂彎曲量的光學(xué)探測(cè)器陣列。該覆蓋層的響應(yīng)包括質(zhì)量負(fù)載，其導(dǎo)致每個(gè)相應(yīng)懸臂的總固有質(zhì)量改變，且其中用于探測(cè)的裝置包括用于探測(cè)每個(gè)懸臂的共振頻率偏移改變的裝置。
本發(fā)明涉及一種NEMS紅外傳感陣列，包括兩個(gè)相對(duì)平行的襯底；多個(gè)從其中一個(gè)襯底延伸的尺寸相似的壓阻NEMS懸臂，每個(gè)懸臂具有相應(yīng)于不同IR頻率的相應(yīng)IR吸收器(absorber)，并根據(jù)每個(gè)IR吸收器吸收的IR量誘發(fā)相應(yīng)的差分熱膨脹；和多個(gè)從另一個(gè)襯底延伸的驅(qū)動(dòng)/傳感元件，每個(gè)驅(qū)動(dòng)/傳感元件主要耦合于多個(gè)壓阻NEMS懸臂的其中一個(gè)。
盡管出于使對(duì)功能的解釋在語(yǔ)法上流利的緣故說(shuō)明了一些裝置和方法，但是應(yīng)當(dāng)明確理解，權(quán)利要求，除非在35 USC 112中明確說(shuō)明的，并不受“裝置”和“步驟”的任何限制，而是在等價(jià)的法律條文下與權(quán)利要求所限定的含義和等價(jià)物的整體范圍一致。在權(quán)利要求在35USC 112中有明確說(shuō)明的情況下，權(quán)利要求與35 USC 112的全部法律上的等價(jià)物一致?，F(xiàn)在，通過(guò)參考附圖更好地說(shuō)明本發(fā)明，其中類(lèi)似的元件用類(lèi)似的指代數(shù)字表示。


圖1a是圖1b所示的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同的厚度t處能帶能級(jí)的曲線(xiàn)圖。
圖1b是圖解堆疊的側(cè)剖面圖，其中構(gòu)建了本發(fā)明的NEMS器件。
圖2是本發(fā)明偶極子激勵(lì)機(jī)構(gòu)的剖面圖，顯示出偶極子在位于梁p1與dp2之間的梁上以及驅(qū)動(dòng)?xùn)派系男纬伞?br> 圖3(a)是本發(fā)明使用的雙鉗制梁的掃描電子顯微鏡圖象。共面柵由2DEG形成。
圖3b是測(cè)量設(shè)置的示意圖。
圖3c是在本發(fā)明的等離子體腐蝕步驟中使用的ECR室的簡(jiǎn)化側(cè)剖面圖。
圖3d(i)-(v)是圖解制造圖1b異質(zhì)結(jié)構(gòu)所使用的2DEG的步驟的系列剖面圖。
圖4a是隨著以逐漸增加的驅(qū)動(dòng)振幅將梁驅(qū)動(dòng)到其最低的機(jī)械共振，跨梁電壓降對(duì)頻率的曲線(xiàn)圖。DC偏置電流固定在5μA。在插圖中，振幅響應(yīng)的峰值在線(xiàn)性范圍內(nèi)是驅(qū)動(dòng)振幅的函數(shù)。
圖4b是在不同的DC偏置電流下，幅共振電流對(duì)頻率的曲線(xiàn)圖。在插圖中，與感測(cè)電流共振的信號(hào)振幅從-26μA增加到26μA。
圖5是在各種溫度下幅響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)頻率的曲線(xiàn)圖。
圖6是通過(guò)機(jī)械預(yù)放大器的縮影圖，該機(jī)械預(yù)放大器在硅上通過(guò)表面納米機(jī)械制造厚度為200nm的碳化硅層制造而成。金屬電極用50nm厚的Au層繪制圖形。
圖7是顯示全機(jī)械參數(shù)放大器操作原理的簡(jiǎn)圖。信號(hào)電極用于激勵(lì)和探測(cè)信號(hào)梁，而泵電極調(diào)制其彎曲彈簧常數(shù)。
圖8是一個(gè)電路的電路圖，該電路用于圖解實(shí)施例參數(shù)放大器的增益測(cè)量。
圖9是頻率偏移Δf/f的簡(jiǎn)圖，其是施加給泵梁的橫向DC力的函數(shù)。該力是信號(hào)梁上的一個(gè)有效壓縮(正)或者伸張(負(fù))力。頻率偏移的線(xiàn)性分量由該力產(chǎn)生，而二次分量由泵梁中的電流導(dǎo)致的歐姆熱產(chǎn)生。
圖10是參數(shù)放大器有限元模擬的簡(jiǎn)圖，該參數(shù)放大器處于由圖9所示信號(hào)梁上的壓力或者張力產(chǎn)生的1nN的靜載荷下，該靜載荷被提供給泵梁。如果不存在泵梁從而負(fù)載被直接施加到信號(hào)梁的末端，則信號(hào)梁的壓縮將是預(yù)期的0.235倍。
圖11是顯示增益對(duì)信號(hào)與泵激勵(lì)之間相差的依賴(lài)性的簡(jiǎn)圖。根據(jù)相，信號(hào)或者被放大或者被去放大。如所預(yù)期的，放大和去放大的幅度隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大。
圖12是信號(hào)梁對(duì)失共振頻率激勵(lì)的響應(yīng)的簡(jiǎn)圖，該泵梁以?xún)杀兜墓舱耦l率加以驅(qū)動(dòng)。描點(diǎn)圖顯示了側(cè)帶在ω下的強(qiáng)度。對(duì)于接近閾值的泵激勵(lì)，器件帶寬顯著降低。
圖13是熱機(jī)械噪音放大的簡(jiǎn)圖。在8.2mV的泵電壓下，Φ＝0增益是39，而共振的品質(zhì)因數(shù)從10600增加到180000。
圖14是參數(shù)機(jī)械放大器輸出噪音的矢量圖。左上圖顯示了無(wú)激勵(lì)、無(wú)泵信號(hào)梁的鎖定放大器測(cè)量。其顯示了放大器獨(dú)立于相的輸出噪音。右上圖顯示了無(wú)激勵(lì)和5mV泵電壓下信號(hào)梁的測(cè)量。波動(dòng)仍然由電放大器主導(dǎo)。左下圖顯示了無(wú)激勵(lì)和8.1mV泵電壓下信號(hào)梁的測(cè)量。在1/4個(gè)周期中，熱機(jī)械振動(dòng)被放大超過(guò)放大器的輸入噪音。在另外1/4個(gè)周期中，泵的效應(yīng)沒(méi)有顯示出來(lái)。
圖15是比較每1/4個(gè)周期中增益與噪音水平的簡(jiǎn)圖，其被標(biāo)準(zhǔn)化到泵關(guān)閉時(shí)的數(shù)值。泵的效應(yīng)是增加信噪比，特別是對(duì)于Φ＝2π的相。
圖16是顯示增益對(duì)提供給泵的電壓的依賴(lài)性的簡(jiǎn)圖。在低泵振幅下，增益獨(dú)立于信號(hào)梁的激勵(lì)。在高泵電壓下，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的rms振幅達(dá)到360pm時(shí)，增益開(kāi)始飽和。
圖17是130nm厚樣品中載流子分布的簡(jiǎn)圖，其中摻雜劑層厚30nm，摻雜劑濃度為4×1025m-3。
圖18是130nm厚樣品中載流子分布的簡(jiǎn)圖，其中摻雜劑層厚7nm，摻雜劑濃度為4×1025m-3。
圖19a、19b、19c和19d涉及磁勢(shì)反射和橋測(cè)量。圖19a是圖解磁勢(shì)反射的示意圖，圖19b是圖解橋測(cè)量的示意圖。圖19c是圖19b典型橋器件的掃描電子顯微鏡(SEM)圖象。圖19d是反射和橋布局的示意圖，分別顯示了單一和平衡梁構(gòu)型的透視圖。
圖20a是雙鉗制B摻雜Si梁的簡(jiǎn)圖，在上面曲線(xiàn)的反射中和在下曲線(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度B＝0，2，4，6T的橋構(gòu)型中，梁在25.598MHz下共振，Q大約為3×104。圖20b是反射及橋構(gòu)型寬帶轉(zhuǎn)移函數(shù)(broadbandtransfer function)振幅簡(jiǎn)圖。
圖21是傳輸系數(shù)(S21)振幅的簡(jiǎn)圖，該傳輸系數(shù)是橋構(gòu)型SiC梁在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度B＝2，4，6，8T下測(cè)得的。
圖22a-22d是器件一個(gè)實(shí)施例的SEM圖象。圖22a是頂視圖。圖22b是側(cè)視圖。圖22c是一個(gè)梁的放大頂視圖。圖22d是一個(gè)梁的放大側(cè)視圖，顯示了清晰懸置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
圖23是測(cè)量設(shè)置的示意圖。
圖24是所研究網(wǎng)絡(luò)前向傳輸系數(shù)S21頻率依賴(lài)性的三維圖。插圖顯示了復(fù)雜函數(shù)在S21面上的投影。
圖25是反饋給預(yù)放大器的信號(hào)振幅的簡(jiǎn)圖。其是從粗?jǐn)?shù)據(jù)中減去背景函數(shù)之后通過(guò)獲取模量獲得的，見(jiàn)本文減法處理部分。
圖26是顯示器件頂視圖的SEM圖象，用于圖解高頻調(diào)諧。
圖27是共振測(cè)量值對(duì)Si和GaAs梁縱橫比的簡(jiǎn)圖。
圖28是在施加了洛侖茲力之后，GaAs梁異面頻率偏移的簡(jiǎn)圖。
圖29是圖28所示頻率偏移作為所施加力的函數(shù)的描點(diǎn)圖。
圖30是共面方向上洛侖茲力調(diào)諧的簡(jiǎn)圖。
圖31是圖29所示頻率偏移作為調(diào)諧力的函數(shù)的描點(diǎn)圖。
圖32是梁的兩種模式溫度偏移的簡(jiǎn)圖。
圖33是三個(gè)Si梁共振頻率溫度依賴(lài)性的簡(jiǎn)圖。
圖34是四個(gè)GaAs梁共振頻率溫度依賴(lài)性的簡(jiǎn)圖。
圖35是圖29修正數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)圖。
圖36是機(jī)械共振等價(jià)電路的示意圖。
圖37是單端口驅(qū)動(dòng)和探測(cè)電路的示意圖。
圖38是單端口測(cè)量等價(jià)電路的示意圖。
圖39是雙端口探測(cè)電路等價(jià)電路的示意圖。
圖40是彎曲(左)和扭曲(右)諧振腔典型設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化頂視圖。
圖41是雙端口磁勢(shì)探測(cè)技術(shù)的靈敏度作為頻率的函數(shù)的簡(jiǎn)圖，與熱機(jī)械噪音作比較。
圖42是50Ω放大器對(duì)于受熱機(jī)械噪音限制的磁勢(shì)靈敏度所需輸入噪音水平的簡(jiǎn)圖，其是電極導(dǎo)電率的函數(shù)。
圖43a-43d是用體微機(jī)械制造方法制造Si膜的方法的側(cè)剖面圖。
圖44a-44d是用體微機(jī)械制造方法制造GaAs膜的方法的側(cè)剖面圖。
圖45a和45b是GaAs中用NH4OH腐蝕的阱的SEM圖象，圖45a顯示了從背面看的傾視圖，沿
面分開(kāi)，圖45b顯示了
面的正視圖。注意側(cè)面和底部是光滑的并且被良好限制。
圖46a和46b是GaAs中用檸檬酸腐蝕的阱的SEM圖象，圖46a顯示了從背面看的傾視圖，沿
面分開(kāi)，圖46b顯示了
面的正視圖。注意側(cè)壁的降低(desending)和底表面的粗糙度不均勻。短劃線(xiàn)表示
分割面。
圖47是基于能譜分析器的NEMS陣列的簡(jiǎn)化透視圖。陣列內(nèi)的元件被沿著共用傳輸線(xiàn)電極突出的局部棒(stub)靜電激勵(lì)。每個(gè)共振元件都分別被壓阻地讀出。元件長(zhǎng)度交錯(cuò)，和在振動(dòng)簧片轉(zhuǎn)速計(jì)中一樣，從而使期望的能譜范圍收斂。
圖48是NEMS陣列能譜儀的簡(jiǎn)圖，其基于在耦合陣列中產(chǎn)生的集合模式。信號(hào)被施加到整個(gè)陣列，但讀出是光學(xué)的，并且涉及使光電二極管陣列同步分辨衍射量級(jí)。
圖48a是圖48中陣列的放大SEM圖象。
圖49是基于電子噪音的NEMS陣列的簡(jiǎn)圖，其中共振傳感器用于監(jiān)視質(zhì)量負(fù)載和由于化學(xué)和生物化學(xué)吸附物引發(fā)的表面應(yīng)變改變。
圖50是基于未冷卻IR成像儀的NEMS陣列的簡(jiǎn)圖。共振傳感器陣列用于監(jiān)視由于吸收IR能量誘發(fā)的異面彎曲。IR吸收器加熱誘發(fā)的局部輻射導(dǎo)致吸附物與懸臂之間熱膨脹不同。共用靜電偏置/驅(qū)動(dòng)連接為陣列的掃頻詢(xún)問(wèn)(swept frequency interrogation)提供一個(gè)局部dc靜電偏置和一個(gè)共用ac驅(qū)動(dòng)電極。
圖51a是壓電懸臂的掃描電子顯微鏡圖象。器件的尺寸為長(zhǎng)15μm，寬2μm和厚130nm，厚度的上30nm形成導(dǎo)電層(硼摻雜密度為4×1019/cm3)。該器件b＝0.5μm，l1＝4μm。
圖51b是懸臂位移的簡(jiǎn)圖，其作為時(shí)間的函數(shù)，用原子力顯微鏡尖端進(jìn)行研究從而將懸臂移動(dòng)已知的量。這產(chǎn)生了一個(gè)直接的測(cè)量結(jié)果G＝dRT/dx＝3×107Ω/m。
圖51c是懸臂電阻的簡(jiǎn)圖，其作為相應(yīng)于圖51b的時(shí)間的函數(shù)，用原子力顯微鏡尖端進(jìn)行研究從而將懸臂移動(dòng)已知的量。這產(chǎn)生了一個(gè)直接的測(cè)量結(jié)果G＝dRT/dx＝3×107Ω/m。
圖52是真空中納米機(jī)械共振峰的簡(jiǎn)圖。品質(zhì)因數(shù)對(duì)壓力的依賴(lài)性如插圖所示。這些測(cè)量使用102μA的偏置電壓。
圖53a和53b是9K下測(cè)得的熱機(jī)械噪音的簡(jiǎn)圖。
圖54a-54c是按比例縮小的壓阻結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)剖面圖，其中按比例縮小通過(guò)附加半導(dǎo)體層加以增大從而將載流子限制在一個(gè)量子阱內(nèi)。
圖55是按比例縮小的壓阻結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)剖面圖，其中按比例縮小通過(guò)布置在絕緣體上的量子阱加以放大。
現(xiàn)在通過(guò)參考下文優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明能夠更好地理解本發(fā)明及其各種實(shí)施例，這些實(shí)施例是作為由權(quán)利要求限制的本發(fā)明的例證性實(shí)例提供的。顯然可以理解，由權(quán)利要求限制的本發(fā)明比下文說(shuō)明的例證性實(shí)施例更廣泛。
具體實(shí)施例方式
雙鉗制梁本文公開(kāi)的雙鉗制梁用含有高移動(dòng)性二維電子氣體(2DEG)的GaAs/AlGaAs量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成，其向共面?zhèn)葨盘峁㊣T驅(qū)動(dòng)，從而通過(guò)偶極子-偶極子機(jī)制激勵(lì)梁的機(jī)械共振。靈敏的高頻位移轉(zhuǎn)換通過(guò)在恒定D.C.感測(cè)電流下測(cè)量跨2DEG的A.C.EMF獲得。所含2DEG的高移動(dòng)性通過(guò)組合壓電和壓阻機(jī)制提供了低噪音、低功率和高增益的微機(jī)電位移傳感。
梁30在兩個(gè)柵32之間形成，從而共同構(gòu)成圖2和圖3的顯微圖象所示的器件12。起始材料是特別設(shè)計(jì)的、MBE生長(zhǎng)的二維電子氣(2DEG)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用指代數(shù)字10一般地表示的結(jié)構(gòu)層堆疊包括如圖1b所示的總厚度為115nm的七個(gè)單獨(dú)的層，其中圖2所示的器件12由結(jié)構(gòu)層堆疊形成。頂和底層14是薄GaAs帽層，防止其中間的AlGaAs:Si施主層16的氧化。中心厚10nm的GaAs層18形成一個(gè)量子阱，將高移動(dòng)性二維電子氣(2DEG)保持在頂層之下37nm，并使其被兩個(gè)AlGaAs隔離層20包圍。結(jié)構(gòu)層堆疊10下面是400nm的Al0.8Ga0.2As犧牲層22。犧牲層22依次位于更厚的n+襯底上，n+襯底為芯片28提供背電極和機(jī)械支持物。
圖1a是圖1b中異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能級(jí)圖?？v坐標(biāo)顯示的是堆疊10的厚度或者位置t，橫坐標(biāo)是以MeV為單位的能級(jí)ε。費(fèi)米能εF作為零能級(jí)。除了某些側(cè)帶中的少量傳導(dǎo)率之外，大多數(shù)電子傳導(dǎo)被限定在2DEG層18中。
注意，堆疊結(jié)構(gòu)10有意制造成不對(duì)稱(chēng)，以避免使GaAs層18的壓電效應(yīng)呈中性，也就是說(shuō)，層18不是堆疊10的中心，而是被制造在堆疊10的一側(cè)。結(jié)果，當(dāng)堆疊被拉緊時(shí)，層18沿著堆疊10側(cè)面上的拉伸或者壓縮層只被拉伸或者只被壓縮。堆疊10和犧牲層22構(gòu)成芯片28。實(shí)際上，在層18上制造覆蓋鈍化層或者其他層，在不受外力時(shí)也會(huì)增加內(nèi)生應(yīng)力。
在沉積了歐姆接觸24之后，在芯片28上旋涂(spin)PMMA厚層26，接著進(jìn)行單電子束光刻步驟，從而在PMMA層26中暴露出溝道34，將梁30與側(cè)柵32隔離，如圖2所示。然后以PMMA層26作為低壓電子回旋加速反應(yīng)(ECR)腐蝕的直接掩模，將溝道34進(jìn)一步腐蝕到犧牲層22。剝?nèi)MMA層26之后，通過(guò)用稀釋的HF除去梁30下面的犧牲層22獲得如圖2的最終結(jié)構(gòu)形貌。
為了使干腐蝕對(duì)2DEG層18的破壞最小，人們付出了大量的努力用于優(yōu)化腐蝕過(guò)程。對(duì)大量的等離子體混合物進(jìn)行測(cè)試之后，選擇了Cl2/He等離子體，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的腐蝕性能，例如表面形貌和垂直側(cè)壁光滑，不攻擊PMMA從而保留具有完好限定的掩模邊緣的阱。在傳統(tǒng)ECR室中獲得了35_/s的穩(wěn)定腐蝕速度，如圖3c的剖面圖所示意性顯示的。Cl2和He氣分別以1∶9的體積流速(sccm)比通過(guò)氣孔202供應(yīng)到被部分抽真空到3mTorr的等離子體室200內(nèi)，并通過(guò)300W的微波功率使該氣體離子化從而腐蝕圖2的溝道以限制梁30，同時(shí)向芯片28施加150V、20W的恒定RF功率。
該過(guò)程在圖3d中進(jìn)一步被圖解。在步驟i，在犧牲層22上提供堆疊10，其包括由圖1b的Al0.8Ga0.2As/GaAs三明治式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)。在步驟ii，在堆疊10的表面上旋涂一個(gè)800nm厚PMMA掩模26，并用電子束光刻繪制圖形從而形成將成為雙鉗制梁30和側(cè)柵32的輪廓(出于簡(jiǎn)化的目的，圖3d中省略了柵32的形成)。在步驟iii，執(zhí)行上述的低損傷ECR腐蝕，將PMMA圖形轉(zhuǎn)移到下面的堆疊10。在步驟iv，執(zhí)行選擇性濕腐蝕從而優(yōu)選地除去犧牲層22的暴露部分。在步驟V，用丙酮或者等離子體腐蝕劑剝?nèi)MMA掩模26。
為了證實(shí)腐蝕處理不影響2DEG層18，我們還用相同的方法制造了懸臂式霍爾效應(yīng)棒(Hall effect bar)，并泛泛地表征了最終懸臂式2DEG的特點(diǎn)。在處理之前，經(jīng)照射之后的最初移動(dòng)性和密度分別是5.1×105cm2/Vs和1.26×1012cm-2。在我們的改良低損傷腐蝕中，移動(dòng)性能夠保持在2.0×105cm2/Vs，而電子密度則降低到4.5×1011cm-2。我們觀察了在腐蝕結(jié)構(gòu)中良好制造出來(lái)(developd)的量子霍爾平臺(tái)(quantum Hall plateaus)，其溝道寬度甚至只有0.35μm。在縱向電阻測(cè)量中，我們探測(cè)了低場(chǎng)最大值，其相應(yīng)于當(dāng)電子回旋加速運(yùn)動(dòng)直徑達(dá)到懸線(xiàn)的電寬度時(shí)的最大邊界散射。從峰值點(diǎn)我們能夠推導(dǎo)出，導(dǎo)線(xiàn)每個(gè)側(cè)面的損耗為0.1μm。我們通過(guò)對(duì)霍爾交聯(lián)(cross-junction)進(jìn)行傳輸測(cè)量(transport measurement)還證實(shí)了電子的彈道行為。在所有的器件12中均同時(shí)存在“終末霍爾平臺(tái)”和“負(fù)彎曲電阻”。我們發(fā)現(xiàn)傳輸平均自由路徑大約為2μm。
在納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)中，誘發(fā)和探測(cè)活動(dòng)都對(duì)材料提出了挑戰(zhàn)。在圖2的器件12中，激勵(lì)相對(duì)容易且非常有效。RF驅(qū)動(dòng)被直接提供給兩個(gè)側(cè)柵32中的一個(gè)或者全部，側(cè)柵是2DEG的較大部分，通過(guò)圖1中合金化的歐姆接觸24連接網(wǎng)絡(luò)分析器(未顯示)輸出端。通過(guò)一個(gè)或多個(gè)側(cè)柵32誘發(fā)的梁30的異面共振是唯一的。因?yàn)闁帕焊綦xd能夠窄到100納米，所以小的驅(qū)動(dòng)振幅已經(jīng)足矣。在例證性實(shí)施例中，所有的溝道34都具有0.5μm的恒定寬度。器件12在真空中于4.2K下首先被測(cè)量。通過(guò)10mH RF阻塞柵36向振動(dòng)梁30提供0-26μA的恒定DC感測(cè)電流，其數(shù)值選擇得足夠大，以便避免損失被誘發(fā)的小信號(hào)。通過(guò)位于器件12附近的低溫放大器38拾取振蕩信號(hào)，其中器件12的輸出通過(guò)同軸電纜39從浸沒(méi)著器件12的低溫保持器引出。在將信號(hào)連接到網(wǎng)絡(luò)分析器輸入端之前，可以使用室溫放大器(未顯示)提高信噪比。組合放大器在例證性實(shí)驗(yàn)的頻率范圍內(nèi)具有大約200的電壓增益。
典型的完成器件12如圖3a的顯微圖象所示，并且在圖3b中示意性地加以描述。在到達(dá)梁30之前，來(lái)自電流源35的恒定DC偏置電流(Ib)被發(fā)送通過(guò)大RF扼流圈36(大約10mH)。施加到柵32的柵驅(qū)動(dòng)電壓由DC和RF分量構(gòu)成Vg＝Vg(0)+Vgeiωt。誘發(fā)信號(hào)能夠表示為V＝V(0)+Vgei(ωt+Φ)，其中DC電壓V(0)＝IbRdc由電容器37，C，阻止，且振蕩分量同時(shí)在液氦和室溫下加以放大。梁30寬0.5μm，長(zhǎng)6μm，計(jì)算彈簧常數(shù)為0.25N/m。當(dāng)冷卻到液氦溫度時(shí)，它們的雙端電阻大約為100kΩ。照射之后，降低到大約5kΩ。梁30的電子寬度大約為0.3μm，R＝170Ω。
我們?cè)诘谝粰C(jī)械共振附近觀察到了非常強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)。圖4a顯示了各種驅(qū)動(dòng)振幅下的幅度響應(yīng)曲線(xiàn)，圖4a是輸出電壓大小對(duì)頻率的曲線(xiàn)圖。經(jīng)計(jì)算證實(shí)，該共振與第一異面振動(dòng)模型一致，也就是說(shuō)，位于梁通常所處的平面之外。當(dāng)驅(qū)動(dòng)振幅增大到超過(guò)45mV時(shí)，響應(yīng)曲線(xiàn)將成為非線(xiàn)性并呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)Lorentzian形。在線(xiàn)性響應(yīng)區(qū)，共振振幅與AC柵電壓振幅成比例，如圖4a的插圖所示。
為了闡明所觀察信號(hào)的發(fā)源，我們將柵驅(qū)動(dòng)固定在10mV，然后將DC偏置電流從-26μA改變到0，再到26μA。圖4b提供了共振時(shí)響應(yīng)振幅對(duì)驅(qū)動(dòng)振幅的曲線(xiàn)。從該數(shù)據(jù)中可以顯見(jiàn)兩個(gè)特征。首先，在接近20μA的最高電流下，信號(hào)由于兩個(gè)原因而飽和(a)小梁30的焦耳熱，和(b)偏移速率在這么高的外加電場(chǎng)下(大約15kV/m)飽和。其次，在中間的電流下，共振時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度與DC偏置電流成比例，如圖4b的插圖所示。此外，當(dāng)反轉(zhuǎn)電流方向時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)信號(hào)也改變符號(hào)(180度相變)。
因此我們得出結(jié)論對(duì)于觀察信號(hào)的主要貢獻(xiàn)是由于梁的振動(dòng)導(dǎo)致的電阻改變。這似乎是因?yàn)轶wGaAs的壓阻效應(yīng)以及2DEG的反相壓電電荷柵控。注意，甚至在零電流偏置下也能夠觀察到小信號(hào)。從圖4b插圖的線(xiàn)性部分的斜率，10mV的標(biāo)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)能夠在器件12中誘發(fā)大約100的電阻改變。梁30的壓電性質(zhì)被用于誘發(fā)梁的振蕩，而其壓阻性質(zhì)被用于感測(cè)振蕩。
我們接著評(píng)估該技術(shù)的靈敏性。通過(guò)觀察非線(xiàn)性起始部分的臨界振幅，我們能夠確定出共振梁30的振幅。該臨界位移振幅只取決于梁30的幾何形狀，由下近似地給出xc=2h0.5Q(1-v2)---(1.1)]]>其中h是振動(dòng)方向上梁的厚度，v是GaAs的泊松比。代入測(cè)量值Q＝2600和v＝0.31，得出xC＝6nm，其在大約45mV的驅(qū)動(dòng)能級(jí)下獲得。最小的可解析信號(hào)在0.1mV的驅(qū)動(dòng)和大約5μA的感測(cè)電流下獲得。因此，在20μA的最高可能電流下，我們探測(cè)到的共振為xc/450/4＝0.03_，或者 這與我們根據(jù)梁在4.2K下共振時(shí)的Johnson噪音得出的估計(jì)一致。相應(yīng)的力靈敏度為 這與先前通過(guò)光干涉法和磁勢(shì)法探測(cè)小NEMS諧振腔或者傳感器的方法相當(dāng)。驅(qū)動(dòng)梁到非線(xiàn)性閾值所需的力為1.5nN。通過(guò)使用具有更高移動(dòng)性的2DEG異質(zhì)結(jié)構(gòu)或者通過(guò)使用目前技術(shù)狀態(tài)(state-of-the-art)低溫預(yù)放大器在大約100mK下進(jìn)行操作能夠提高位移分辨率。
注意在圖4a和4b中，我們施加的全部驅(qū)動(dòng)力都與外加AC柵電壓一致。對(duì)于柵上的DC偏置，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共振頻率或者幅度有任何顯著的變化。這表明耦合機(jī)制與柵32和梁30之間的靜電力不同。靜電力與柵電勢(shì)的DC和AC分量的乘積成比例，從而該響應(yīng)直接隨DC柵電壓放縮。這采用了耦合極板(plate)之間的直接庫(kù)侖相互作用。在我們的共面柵構(gòu)型中，梁上的凈電荷是C(Vg(0)+vgeiωt)，其中Vg(0)是DC信號(hào)大小，vg是AC信號(hào)大小，而C是柵32共面2DEG區(qū)域之間的電容，其具有18aF/μm的估計(jì)值，與平行極板相比非常的小。在1V的標(biāo)稱(chēng)DC電壓下，梁30上只有幾百個(gè)感應(yīng)電荷。施加在柵上的電場(chǎng)的上限為(Vg(0)+vgeiωt)/d，其中d是圖2所示梁柵分離的距離。因此，施加在具有角頻率ω的梁30上的總靜電力f＝CVg(0)vgeiωty0/d2，其中y0是統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償。只有該力的投影沿著垂直于圖3b平面的異面(z)方向驅(qū)動(dòng)梁。該力的有效z分量的合理估計(jì)是
fy＝CVg(0)vgeiωty0/d2(1.2)其中y0是由于例如懸臂梁30的不可控制不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償。在器件12中應(yīng)當(dāng)能夠觀察到梁30相對(duì)于柵32的10nm失準(zhǔn)，但是沒(méi)有觀察到。因此，我們將該數(shù)字作為y0估計(jì)值的上限。在1V的標(biāo)稱(chēng)柵電壓，45mV的AC柵電壓下，計(jì)算出由靜電驅(qū)動(dòng)機(jī)制產(chǎn)生的力為fy＝0.2pN。其比驅(qū)動(dòng)梁30進(jìn)行非線(xiàn)性響應(yīng)所需的力小4個(gè)數(shù)量級(jí)。
對(duì)于具有嚴(yán)格對(duì)陣結(jié)構(gòu)性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的懸臂梁，統(tǒng)計(jì)凈應(yīng)力為零。因此在這種情況下，偶極子-偶極子激勵(lì)是次級(jí)效應(yīng)。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)生應(yīng)變由故意設(shè)計(jì)的不對(duì)稱(chēng)量子阱結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生。選擇地，通過(guò)制造含有壓電層的雙壓電晶片(bimorph)結(jié)構(gòu)，由于雙層結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣失配，在梁上會(huì)產(chǎn)生內(nèi)生應(yīng)力，并誘發(fā)梁內(nèi)的靜偶極子。(圖2中的p2)。壓電層可以是GaAs或者其他III-V半導(dǎo)體、PZT、ZnO等。圖2中的另一組件p1在側(cè)柵2DEG層和導(dǎo)電襯底或者芯片載體之間形成。假如不存在靜電A.C.力，我們提出了一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)機(jī)制——短程偶極子-偶極子相互作用——主導(dǎo)我們的納機(jī)電系統(tǒng)。該偶極子-偶極子相互作用電勢(shì)能夠表達(dá)為U=∫14πϵ0p2dp1r3---(1.3)]]>其可以理解為兩個(gè)偶極子矩dp1和p2之間的RF耦合，如圖2所概要顯示的。圖2顯示了梁30上的一個(gè)偶極子電荷分離41，p1，和柵32上沿垂直于圖3b和圖2平面的方向截取的一個(gè)微分切片(slice)dr的一個(gè)微分偶極子電荷分離43，dp2。這里，dp1是柵切片的偶極子距，dp1＝εrε0Lvgeiωtdr，p2是由于應(yīng)變GaAs/AlGaAs梁30的壓電效應(yīng)導(dǎo)致的固定偶極子距。z是異面梁位移，p2＝3EdAwt2z/L，L、w和t是圖2所示梁的長(zhǎng)度、寬度和厚度。εr是GaAs的介電常數(shù)。這里E是大約為85Gpa的楊氏模量，大約為3.8pC/N的dA是AlGaAs的適當(dāng)壓電常數(shù)。沿z方向的最終力是fz=∂U∂z=3ϵr4π(EdA)(wt2d2)vzeiωt]]>該力獨(dú)立于DC柵電壓，與我們的觀察結(jié)果一致。在45mV的AC柵電壓驅(qū)動(dòng)下，從該機(jī)制估計(jì)出的fZ為1.2nN，比直接庫(kù)侖相互作用高4個(gè)數(shù)量級(jí)。這與我們?cè)诜蔷€(xiàn)性起始部分觀察到的力一致。由于其短程特性，偶極子-偶極子相互作用對(duì)NEMS而言是唯一的，并且在微機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)中不顯著。
我們還研究了我們的應(yīng)變敏感器件的溫度依賴(lài)性。該測(cè)量在三個(gè)不同的溫度下在真空中執(zhí)行。結(jié)果如圖5所示。驅(qū)動(dòng)和感測(cè)電流被保持在相同的水平。器件12在液氦和液氮溫度下執(zhí)行得格外好，但是在室溫下，共振減小。共振時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度隨著溫度的退化可以解釋為，在更高的溫度下2DEG的移動(dòng)性顯著降低。在較高的溫度下，增大的雙端口梁電阻起大電壓分配器(divider)的作用，RF放大器38的輸入端兩側(cè)的電壓降只占感生信號(hào)電壓的一小部分。
參數(shù)放大器納米級(jí)機(jī)械參數(shù)放大器完全根據(jù)雙鉗制梁的內(nèi)在機(jī)械非線(xiàn)性提供。在退化模式下工作時(shí)，通過(guò)向梁末端施加交變的縱向力將梁的力常數(shù)參數(shù)調(diào)制其信號(hào)頻率的二倍。這在參數(shù)振蕩的閾值處提供了穩(wěn)定的、接近千倍的小信號(hào)增益。對(duì)于大信號(hào)，我們發(fā)現(xiàn)增益在低于該閾值下飽和；在該范圍內(nèi)，器件起限制預(yù)放大器的作用。在最高的增益下，獲得了熱力學(xué)極限的噪音匹配性能。簡(jiǎn)單的理論模型能夠解釋所觀察到的現(xiàn)象，并提示該方法為獲得輸出耦合量子限制納機(jī)電系統(tǒng)提供了很大的前景。
在圖6的顯微圖象中顯示的例證性實(shí)施例中說(shuō)明的參數(shù)放大器，在懸臂式納米機(jī)械傳感器上或者梁30上工作，自然頻率為17MHz，增益-帶寬乘積為2.6kHz，并需要只有幾mV的泵電壓和1μW量級(jí)的功率以產(chǎn)生接近1000的小信號(hào)增益。彈簧常數(shù)的調(diào)制是純機(jī)械的，不象先前技術(shù)那樣需要預(yù)應(yīng)力。例證性實(shí)施例中采用的機(jī)制允許高的增益-動(dòng)態(tài)范圍乘積，超過(guò)65dB。在4K下觀察了熱機(jī)械振動(dòng)的相依賴(lài)放大。由于器件40的硬度，探測(cè)靈敏度受電讀出放大器38的噪音限制，并且不足以觀察到熱機(jī)械噪音。然而，利用器件40作為機(jī)械預(yù)放大器，證實(shí)了小振幅諧波運(yùn)動(dòng)信噪比的動(dòng)態(tài)改良。
圖6的器件40通過(guò)電子束光刻用硅襯底上的碳化硅外延層制造。器件40通過(guò)碳化硅的垂直等離子體腐蝕繪制圖形，并通過(guò)各向同性等離子體腐蝕除去支持硅加以懸置。器件40由信號(hào)梁31構(gòu)成，其中信號(hào)梁31的某一個(gè)末端被垂直的泵梁42支持，如圖6的顯微圖象所示。器件40的橫向擴(kuò)展為17.5μm，厚度為200nm。器件40在4K的真空下在垂直于芯片表面的B＝8T的磁場(chǎng)中加以測(cè)量，從而洛侖茲力提供信號(hào)梁31的激勵(lì)，并使用磁勢(shì)技術(shù)探測(cè)其運(yùn)動(dòng)。
信號(hào)梁31的彈簧常數(shù)是通過(guò)如圖7所示的泵梁42施加交變電流1加以調(diào)制的，該交變電流的頻率為2ω0并通過(guò)路徑44，其中ω0是梁31的基頻。由電流產(chǎn)生的洛侖茲力T向信號(hào)梁31施加正弦壓力和張力T＝2BIL2ξcos(2ω0t) (2.1)其中L2是泵梁42的長(zhǎng)度，ξ是表征泵梁42有限回復(fù)力的幾何因子。在原理上，ξ能夠從有限元模擬中估計(jì)出來(lái)?？v向力擾動(dòng)信號(hào)梁31共面運(yùn)動(dòng)的彎曲彈簧常數(shù)，振幅為kpk1=12π2Et1w1(L1w1)2T---(2.2)]]>其中，E是楊氏模量，w1、L1和t1是信號(hào)梁31的寬度、長(zhǎng)度和厚度。
對(duì)于小位移，在泵和諧波激勵(lì)Fa的影響下，信號(hào)梁31的運(yùn)動(dòng)方程為mx··+mω0Qx·+(k1+kpcos(2ω0t))x=F0sin(ω0t+φ)+fn---(2.3)]]>其中m是有效質(zhì)量，Q是品質(zhì)因數(shù)，fn是熱機(jī)械噪音。在閾值泵振幅之上，k1=2k1Q---(2.4)]]>參數(shù)放大器的增益發(fā)生變化。對(duì)于低于閾值的泵振幅，機(jī)械增益取決于激勵(lì)和泵之間的相差Φ
G(φ)=[cos2φ(1+kpk1)2+sin2φ(1-kpk1)2]12---(2.5)]]>盡管隨著kp接近閾值，增益的表達(dá)式改變，但實(shí)際上，系統(tǒng)的非線(xiàn)性導(dǎo)致增益飽和。我們系統(tǒng)中的主要非線(xiàn)性是由于彎曲導(dǎo)致的幾何硬化(geometric stiffening)，該彎曲來(lái)自于由半剛性支持物鉗制的信號(hào)梁31的縱向展寬。為完善飽和模型，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)方程中引入三次冪展開(kāi)項(xiàng)mx··+mω0Qx·+(k1+kp0cos(2ω0t))x+k3x3=F0sin(ω0tφ)+fn---(2.6)]]>其中，k3＝0.36k1t2(2.7)如果我們考慮基頻下的運(yùn)動(dòng)，為最大增益G選擇相Φ＝0，則x＝Gx0sin(ω0t) (2.8)三次冪項(xiàng)以2ω0擾動(dòng)彈簧系數(shù)，對(duì)抗泵的運(yùn)動(dòng)x3=-G2x022cos(2ω0t)x+G2x022x---(2.9)]]>忽略上面的線(xiàn)性項(xiàng)，得到運(yùn)動(dòng)x＝Gx0的穩(wěn)態(tài)振幅方程k324x5+k3(k1-kp0)x3+(k1-kp0)2x-k12x0=0---(2.10)]]>參數(shù)放大器的響應(yīng)用圖8的示意圖顯示的電路進(jìn)行測(cè)量。選擇同軸電纜46和48到泵梁42和信號(hào)梁31的長(zhǎng)度使它們分別作為2ω0和ω0的1-1電阻傳感器。泵梁42通過(guò)電纜46與在2ω下工作的驅(qū)動(dòng)振蕩器50和等效熱電噪音源(equivalent thermoelectric noise source)60耦合。在ω下工作的虛(virtue)輸出振蕩器52通過(guò)電纜48的負(fù)載電阻54與信號(hào)梁31耦合，并包括指示信號(hào)梁31參數(shù)振蕩器的輸出參考信號(hào)。來(lái)自信號(hào)梁31的輸出通過(guò)放大器56與顯示器或測(cè)量裝置58耦合。那么，電響應(yīng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)與信號(hào)梁31基線(xiàn)電阻的疊加。為確定機(jī)械增益，我們比較了共振與非共振電響應(yīng)，其通過(guò)頻譜分析器加以測(cè)量
為核實(shí)泵的效力，用網(wǎng)絡(luò)分析器替代圖8中的信號(hào)源50和頻譜分析器58，并測(cè)量共振峰的頻率偏移，其作為DC泵力的函數(shù)。從圖9的裝置(fit)，發(fā)現(xiàn)頻率偏移為1.59/mN，忽略泵梁42的有限扭轉(zhuǎn)力(假定(1)中ζ＝1)。從方程(2.2)，預(yù)期的變化值為Δf/f＝6.24/Mn。這些數(shù)值之間的差異表明，泵梁42的剛度確實(shí)降低了外加到信號(hào)梁31的有效泵力。為了估計(jì)ζ，我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元機(jī)械模擬，其中向泵梁42橫向施加總計(jì)為1nN的靜態(tài)力，如圖10所示。從該模式下計(jì)算得到的87pm的信號(hào)梁31壓縮，能夠獲得施加給信號(hào)梁31的有效壓力T＝EtwΔx/x(2.12)這樣，我們發(fā)現(xiàn)T＝0.235nN和ζ＝0.235，所以我們測(cè)得的實(shí)際頻率偏移為6.77/mN，與預(yù)期值一致，表明我們的模型能夠說(shuō)明泵的效力。
為了進(jìn)一步證實(shí)所觀察到的參數(shù)效應(yīng)是由于泵梁42上的洛侖茲力導(dǎo)致的，圖11顯示了圖8放大器的相依賴(lài)增益在兩個(gè)不同磁場(chǎng)中的測(cè)量結(jié)果。信號(hào)梁31在基頻ω0下驅(qū)動(dòng)，泵梁42通過(guò)可變相移位器(未顯示)相對(duì)于信號(hào)梁31在2ω0下驅(qū)動(dòng)。信號(hào)梁31的運(yùn)動(dòng)是被放大還是被減小，取決于信號(hào)梁31的運(yùn)動(dòng)和泵梁42的激勵(lì)之間的相差。由方程(2.5)預(yù)知，最大增益出現(xiàn)在Φ＝π/2，最小增益出現(xiàn)在Φ＝0。由方程(2.1)和(2.2)預(yù)知，磁場(chǎng)越強(qiáng)，泵引發(fā)的頻率偏移越大，所以最大增益越大，最小增益越小。盡管當(dāng)泵剛好達(dá)到2ω0時(shí)放大和減小最大，但是增益的主要變化可能是在非共振下。對(duì)于稍微偏離共振的ω下的激勵(lì)，產(chǎn)生了兩條側(cè)帶，一條在ω，一條在2ω0-ω。圖12顯示了信號(hào)梁對(duì)某一固定激勵(lì)的響應(yīng)的主要側(cè)帶ω，該固定激勵(lì)具有最大增益的相偏移。在高增益下，泵的作用使共振帶寬顯著降低。對(duì)于8.2mV泵電壓，帶寬從1760Hz減小到35Hz。
隨著泵振幅接近閾值，參數(shù)放大器的共振增益預(yù)期會(huì)顯著增加。當(dāng)我們的裝置在恰好低于閾值的8.2mV下工作時(shí)，Φ＝0處大小為39的增益足以觀察到被放大的熱機(jī)械振動(dòng)，如圖13的曲線(xiàn)圖所示。信號(hào)梁31對(duì)熱機(jī)械振動(dòng)的響應(yīng)呈Lorentzian線(xiàn)形狀，其被參數(shù)放大器變窄。因?yàn)椴▌?dòng)力與泵無(wú)關(guān)，所以該峰的增益應(yīng)當(dāng)是整個(gè)相的平均值。假設(shè)平均增益為39，峰的振幅相當(dāng)于以550fm/Hz1/2或14fm/Hz1/2運(yùn)動(dòng)的rms振幅。簡(jiǎn)單諧波振蕩器在共振時(shí)的熱機(jī)械振動(dòng)振幅由下式給出Sxt=4kBTQω0k---(2.13)]]>其中，彈性常數(shù)k＝mw02為32N/m，為信號(hào)梁31產(chǎn)生一個(gè)大小為26fm/Hz1/2的數(shù)值。數(shù)值間的差異是由于平均增益近似的誤差和在計(jì)算彈簧常數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差所致。
通過(guò)用射頻鎖定放大器(未顯示)代替頻譜分析器觀察放大熱機(jī)械振動(dòng)相對(duì)于泵梁42的相依賴(lài)性。如圖14所示，對(duì)于接近閾值的泵電壓，波動(dòng)被明顯放大，但僅在其中一個(gè)1/4周期內(nèi)(也就是ω與2ω之間的相關(guān)系)。在另一個(gè)1/4周期內(nèi)沒(méi)有觀察到這種效應(yīng)，因?yàn)樵?/4周期中的總噪音由線(xiàn)性電放大器56輸出端的相獨(dú)立噪音(phase-independent noise)主導(dǎo)。
正像信號(hào)梁的布朗運(yùn)動(dòng)能夠不添加機(jī)械噪音地被放大一樣，諧波運(yùn)動(dòng)也是如此。因?yàn)樵谖覀兊南到y(tǒng)中，電放大器控制噪音水平，信號(hào)梁31諧波運(yùn)動(dòng)測(cè)量的信噪比可以通過(guò)參數(shù)放大而顯著提高。圖15比較了諧波激勵(lì)的增益與每1/4周期中的整體噪音水平，該諧波激勵(lì)產(chǎn)生了1.2pm的運(yùn)動(dòng)rms振幅。接近閾值泵振幅，信噪比相對(duì)于Φ＝π/2的1/4周期增加了接近100的因子。作為電放大器56的輸出噪音主導(dǎo)熱機(jī)械噪音的結(jié)果，Φ＝0的1/4周期中的信噪比也被提高，盡管提高的幅度較低。該結(jié)果說(shuō)明了參數(shù)放大器最基本的應(yīng)用，即機(jī)械預(yù)放大器。
放大器的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)該應(yīng)用是非常重要的。對(duì)于沒(méi)有泵的47fm的諧波激勵(lì)，我們的器件顯示的增益高達(dá)800，如圖16所示。然而，對(duì)于更大的激勵(lì)，增益在低得多的數(shù)值處達(dá)到飽和。圖16清楚地證實(shí)了，增益開(kāi)始飽和的點(diǎn)唯一地取決于運(yùn)動(dòng)的振幅，而不是激勵(lì)。在-360pm的rms振幅下開(kāi)始飽和，并為放大器的動(dòng)態(tài)范圍上界提供了良好的近似值。最終，動(dòng)態(tài)范圍的上限是系統(tǒng)非線(xiàn)性的直接結(jié)果。在我們的系統(tǒng)中，主要的非線(xiàn)性預(yù)期是彎曲彈性常數(shù)展開(kāi)中的三次冪項(xiàng)。
壓阻NEMS位移傳感器在真空中的靈敏度我們面對(duì)的其中一個(gè)最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)是對(duì)測(cè)量NEMS懸臂位移的讀出系統(tǒng)的優(yōu)化。圖51的SEM圖象顯示了實(shí)際器件的一個(gè)實(shí)例——懸臂190，其具有一個(gè)壓阻應(yīng)變傳感器。該傳感器將懸臂190的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，在該實(shí)例中，是通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)的傳導(dǎo)路徑電阻的改變，該傳導(dǎo)路徑由位于懸臂190上表面的p+摻雜Si外延層繪制圖形。出于例證生物納機(jī)電系統(tǒng)的目的，圖51顯微圖象的透視圖中顯示的傳感器或懸臂190，能夠被模擬為具有“基部有一個(gè)開(kāi)口的跳板”的形式。器件190的幾何形狀導(dǎo)致在由一個(gè)或多個(gè)寬度為b的腿194構(gòu)成的限制區(qū)域192內(nèi)發(fā)生明顯的損耗，該區(qū)域192允許懸臂190的彎曲剛度提高或者被可變地設(shè)計(jì)。還需要理解，懸臂190具有傳統(tǒng)的電極(未顯示)，借此提供偏置電流的傳統(tǒng)外部測(cè)量電路(未顯示)可以測(cè)量腿194彎曲時(shí)的壓阻變化。此外，可以通過(guò)傳統(tǒng)的方式向懸臂16施加或者不施加外驅(qū)動(dòng)力，這取決于應(yīng)用和設(shè)計(jì)選擇。在優(yōu)選實(shí)施例中，有兩個(gè)腿194。我們假定懸臂190的生物功能化尖端196能夠容忍溫度增加10K的量級(jí)，其中該尖端長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為t，在真空中的共振頻率為ω0/2π和力常數(shù)K。
用靈敏度 表征傳感器的性能，單位為volts/m， 其中I是偏置電流，而G=∂RT∂x]]>和RT分別是量規(guī)因數(shù)和傳感器的雙端阻抗。
接近共振，熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度由SVγ=4kB]]>Tγ＝4KkBT/Q給出。由讀出處理的電噪音產(chǎn)生的三個(gè)附加項(xiàng)也必須包括在內(nèi)。它們必須用因子 反饋給輸入，也就是，位移閾。第一個(gè)附加項(xiàng)產(chǎn)生于壓阻傳感器的熱電壓噪音，SVT＝4kBTRT；而第二個(gè)附加項(xiàng)產(chǎn)生于讀出放大器的電壓和電流噪音，SVA＝SV+SIRT2，其中SV和SI分別是放大器電壓和電流噪音的頻譜密度。
這些波動(dòng)的總和被我們稱(chēng)之為全耦合位移噪音，它是整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際位移靈敏度
現(xiàn)在我們考察對(duì)外加于腿194電路中的電流偏置水平的限制。假設(shè)響應(yīng)度與偏置電流成比例 則可獲得的力靈敏度明顯取決于可耐受偏置電流的最大值。最大實(shí)際水平由可以獲得的最大溫升決定。原型器件的幾何形狀導(dǎo)致在寬度為b的限制區(qū)192內(nèi)產(chǎn)生明顯的損耗。我們假設(shè)可耐受的最大溫升為10K的量級(jí)。我們按一維問(wèn)題處理梁190的限制區(qū)192，其長(zhǎng)度為l1，橫截面積為A，熱量在支撐端195處散發(fā)。假設(shè)與真空沒(méi)有熱交換。在x＜l1的損耗區(qū)，我們得出2κSitl1bd2Tdx2]]>＝-l2R，其中硅在300K下的熱傳導(dǎo)率為κsi＝1.48×102W/Mk。假設(shè)懸臂190超出限制區(qū)192的區(qū)域中的損耗可以忽略不計(jì)，我們?cè)趚＝l1時(shí)應(yīng)用邊界條件dT/dX＝0。該簡(jiǎn)單的熱電導(dǎo)計(jì)算指出，使用I＝60μA的穩(wěn)態(tài)偏壓電流可以獲得的最大溫升為10K，導(dǎo)致大約為60μW的功率損耗。對(duì)于該偏置電流，我們的原型器件產(chǎn)生的響應(yīng)度為 根據(jù)對(duì)這些參數(shù)的理解，我們現(xiàn)在能夠估計(jì)原型系統(tǒng)的耦合力靈敏度。對(duì)于懸臂190，從室溫開(kāi)始并且假定溫升為10K，我們發(fā)現(xiàn)參考力域的傳感器誘發(fā)熱電壓噪音，對(duì)于Q＝2000在共振時(shí)為KSVT/(RQ)=92aN/Hz.]]>對(duì)于電壓和電流噪音水平(參考輸入)分別為 和 的典型低噪音讀出放大器，這些相同的參數(shù)生成了KSVA/Q=23aN/Hz]]>的放大器項(xiàng)。對(duì)于該懸臂，熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度為SFγ=300aN/Hz.]]>表4給出了增高品質(zhì)因子的總傳感器噪音。
顯然，來(lái)自熱機(jī)械位移波動(dòng)的噪音是主導(dǎo)的。這可以通過(guò)降低尺寸加以減小，從而增加共振頻率和降低彈簧常數(shù)。
為了證實(shí)將該器件的尺寸進(jìn)一步降低的益處，我們考察了兩個(gè)更小的懸臂，其具有和圖51相似的幾何形狀，但l＝6μm，t＝110nm，W＝900nm，b＝300nm，l1＝3μm。假定該器件用與懸臂190相同的外層厚度比構(gòu)建而成，這使得RT＝19kΩ，G＝2.9×109Ω/m(表4中的懸臂#2)。
對(duì)于#2懸臂，我們?cè)俅渭僭O(shè)10K的尖端溫升是可以容忍的。對(duì)于Q＝2000，我們發(fā)現(xiàn)傳感器誘發(fā)力噪音為KSVT/(RQ)=7.1aN/Hz‾,]]>參考力域的讀出放大器的貢獻(xiàn)為KSVT/(RQ)=1.5aN/Hz.]]>熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度為SFγ=249aN/Hz‾.]]>對(duì)于Q＝30000，熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度為SFγ=64aN/Hz.]]>所考察的另一個(gè)器件——“懸臂#3”與懸臂#2相似，但全部的尺寸被均勻地減少～3的因子。對(duì)于該器件，RT＝67kΩ，G＝3.0×1010Ω/m。再次使用Q＝2000，這使得傳感器誘發(fā)Johnson力噪音SFγ=1.5aN/Hz,]]>而參考力域的放大器貢獻(xiàn)為KSVT/Q=0.18aN/Hz.]]>熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度為SFγ=83aN/Hz.]]>對(duì)于Q＝30000，熱機(jī)械位移波動(dòng)的力譜密度為SFγ=21aN/Hz.]]>其他熱量允許的力靈敏度由表4給出。
表4室溫壓阻探測(cè)共振的耦合力靈敏度 對(duì)于4×1019/cm3的摻雜濃度，損耗長(zhǎng)度為2nm，因此雖然懸臂#3完全屬于可行的范圍內(nèi)，但是繼續(xù)將厚度推進(jìn)到小于30nm是不現(xiàn)實(shí)的。為了使獲得364MHz的懸臂#4，應(yīng)當(dāng)減小長(zhǎng)度而不顯著減少厚度。盡管受到彈簧常數(shù)增加的限制，但是力靈敏度仍然保持良好，室溫下品質(zhì)因數(shù)為2000時(shí)的耦合力靈敏度度SFV=62aN/Hz.]]>表4總結(jié)了全部四個(gè)懸臂在各種品質(zhì)因數(shù)下的靈敏度。表5給出了4K時(shí)的模擬數(shù)據(jù)。
表5在4K下壓阻探測(cè)的共振時(shí)耦合力靈敏度 基于NEMS的壓阻力感測(cè)上面討論了壓阻探測(cè)器在室溫和9K下的力靈敏度。還討論了室溫力靈敏度的壓力依賴(lài)性。利用原子力顯微鏡[AFM]將懸臂尖端移動(dòng)一個(gè)如圖51a所示的已知量，直接測(cè)量了量規(guī)因數(shù)。這產(chǎn)生的直接測(cè)量結(jié)果為G＝dRT/dx＝3×107Ω/m，我們計(jì)算出，對(duì)于β＝0.7，G～6×108Ω/m。該差異是由于處理期間的擴(kuò)散。特別地，為了掩蓋這些特殊的器件，其中在早期處理步驟期間通過(guò)KOH腐蝕在該器件上形成用于繪制懸臂圖形的膜，在850℃下通過(guò)LPCVD生長(zhǎng)碳化硅，在該溫度下擴(kuò)散的β值顯著低于預(yù)期值；如果使用DRIE腐蝕替代用于形成膜的KOH腐蝕，則不需要該高溫掩模步驟。
接近共振，熱機(jī)械振動(dòng)的力譜密度由下給出SFγ=4kBTγ=4KkBT/(2πQf0)---8.1]]>其中γ是阻尼系數(shù)，單位為kg/s，f0是共振頻率，Q＝mf0/γ是品質(zhì)因數(shù)。
因此接近共振，熱機(jī)械振動(dòng)的電壓譜密度由下給出SVγ=SFγG2l216π2m2f02[4(f-f0)2+f02/Q]---8.2]]>放大器測(cè)量的結(jié)果給出 其中Rbias是與樣品并聯(lián)的偏置電阻器的電阻，Ramp是電耦合懸臂190的放大器(未顯示)的輸入電阻，C是放大器的輸入電容，SVj測(cè)量值是在放大器輸入端測(cè)得的Johnson噪音，而SVA是放大器的電壓譜密度。
圖52顯示了尺寸與上面用于測(cè)量量規(guī)因數(shù)的器件相當(dāng)?shù)钠骷谑覝氐恼婵罩袩釞C(jī)械噪音的共振峰。樣品電阻為16.7kΩ，并與10.5kΩ的電阻器并聯(lián)。放大器的輸入電容為33pF，輸入電阻為100kΩ。因此，我們預(yù)測(cè)在605.5kHz下的Johnson噪音背景為 預(yù)放大器噪音在該頻率下的測(cè)量值為 給出的綜合預(yù)測(cè)背景為 測(cè)得的背景為 對(duì)于該懸臂，測(cè)得的共振頻率為605.5kHz。真空中測(cè)得的品質(zhì)因數(shù)為550。因此由方程8.1，熱機(jī)械振動(dòng)的力譜密度為 我們可以逆用(revert)方程8.2和8.3，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Lorentzian擬合從而給出量規(guī)因數(shù)的測(cè)量值，為G＝1.0×108Ω/m。
圖52的插圖顯示了該器件品質(zhì)因數(shù)的壓力依賴(lài)性。該壓力顯然具有大于200毫托的阻尼效應(yīng)。
圖53a顯示了同一器件置于液氦致冷器(cryostat)中的共振峰。使用48μA的偏置電流，估計(jì)在該溫度下的最大發(fā)熱(發(fā)生于器件尖端)應(yīng)當(dāng)為I2Rl1/(4kSitb)～4K。因此，器件尖端的溫度為～9K。在該溫度下獲得的共振頻率為552kHz，品質(zhì)因數(shù)為2.1×103。力靈敏度由方程8.1給出。使用測(cè)得的品質(zhì)因數(shù)和9K的估計(jì)溫度，給出的力靈敏度為113 由方程8.2，有可能推測(cè)量規(guī)因數(shù)。其給出的量規(guī)因數(shù)為1.6×108Ω/m，或者說(shuō)由于壓阻系數(shù)隨著溫度降低而增加，比室溫值增加了1.6的因子。
圖53b顯示了另一個(gè)器件的相同數(shù)據(jù)，該器件在同一芯片上同步地制造且尺寸相同。懸臂電阻為14.4kΩ。懸臂共振頻率為620kHz，測(cè)得的品質(zhì)因數(shù)為2.11×103。由方程8.1，給出的力靈敏度為126 壓阻傳感器的比例縮放壓阻器(piezoresistor)被設(shè)計(jì)成在標(biāo)稱(chēng)本征硅的上面具有薄重?fù)诫s硅層。隨著器件被按比例縮小到更小的尺寸，該薄硅層的耗盡層效應(yīng)變得非常顯著。下面通過(guò)在兩個(gè)過(guò)程之間進(jìn)行迭代直到獲得收斂計(jì)算出了載流子的分布。第一個(gè)過(guò)程調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)直到獲得電荷中性。第二個(gè)過(guò)程根據(jù)下式計(jì)算價(jià)帶的彎曲d2Evdz2=eρ(x)ϵ---3.1]]>其中Ev是價(jià)帶能，e是電子電荷，ρ是載流子的體積密度，ε是介電常數(shù)。ρ(x)是電荷密度，由費(fèi)米統(tǒng)計(jì)ρ(x)＝e(p(x)-n(x))給出，其中p(x)=1.04×1025e-β(EF-EV)/m3]]>是正載流子的密度。邊界條件為d2Evdz2|z=0=eσϵ---3.2]]>其中σ是表面載流子密度。方程3.2和3.3的表面狀態(tài)密度σ根據(jù)硅-二氧化硅界面的界面狀態(tài)密度的公布值估計(jì)而得。
設(shè)定費(fèi)米能級(jí)獲得電荷中性，假定低表面處的邊界條件為d2Evdz2|z=t=eσϵ---3.3]]>其中z＝t是標(biāo)稱(chēng)本征硅的下表面，其也是轉(zhuǎn)變器或者懸臂的標(biāo)稱(chēng)下表面。(z位于平面方向之外)費(fèi)米能級(jí)EF通過(guò)保持電中性的條件加以設(shè)定；∫0l(ρ(x)/e+NA-(x))dx=0---3.6]]>其中 是離子化受體位點(diǎn)的密度，EA是離子化受體點(diǎn)的能量。
p(x)=1.04×1025e-β(EF-Eγ)/m3]]>n(x)=2.8×1025e-β(EC-EF)/m3]]>其中，β＝1/kT，EC是導(dǎo)帶能。迭代解出方程3.1和3.6直到獲得收斂。
圖17顯示了130nm厚度樣品的載流子分布，其中摻雜層厚30nm，摻雜濃度為4×1025m-3。圖18顯示了30nm厚度樣品的載流子分布，其中摻雜層的厚度為7nm。在兩種情況下，載流子均被良好地限制。
從圖18可以顯見(jiàn)，我們現(xiàn)在已經(jīng)接近傳統(tǒng)2層結(jié)構(gòu)例如懸臂190可以獲得的最小厚度。進(jìn)一步直接降低尺寸而不犧牲性能是不可能的，例如耗盡層厚度相對(duì)于摻雜區(qū)的尺寸變得顯著。因此需要一種新技術(shù)。
壓阻NEMS傳感器中約束載流子通過(guò)限制量子阱結(jié)構(gòu)中的載流子能夠顯著增加載流子約束(confinement)。在這些構(gòu)型中，導(dǎo)電/壓阻感測(cè)發(fā)生在量子阱(QW)層300和層302，它們被稱(chēng)為用于將載流子限制在QW層300的“約束層”。為了實(shí)現(xiàn)它，約束層302在p型傳感器中必須具有非常低的價(jià)帶邊界，或者在n型傳感器中具有非常高的導(dǎo)帶邊界。量級(jí)為0.4eV或者更大的帶邊界能差對(duì)于獲得良好的載流子限制是非常重要的。
在圖54b顯示的該結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例中，上和下約束層302可能是在(100)面上生長(zhǎng)的本征硅。而量子阱層300可以是p摻雜鍺，(其也在(100)面上生長(zhǎng)，該面可以在硅層上外延生長(zhǎng)；硼、銦和鎵是鍺中摻雜劑的實(shí)例)。然后，沿<110>方向繪制壓阻傳感器圖形。沿<110>方向的p型鍺的壓阻系數(shù)比沿相同方向的硅大50％。鍺的價(jià)帶邊界為0.46eV，高于硅，足以限制用于該用途的載流子。
這些材料還可用于實(shí)現(xiàn)圖54c的壓阻層，其中鍺再次作為量子阱300，而本征硅作為下層302。
可以使用的材料的特殊實(shí)例并不趨向于對(duì)本發(fā)明有任何的限制。將載流子限制在2DEG或者量子阱的場(chǎng)已經(jīng)被良好提出，該場(chǎng)的所有知識(shí)和技術(shù)都可以用于制造傳感器，例如本文所說(shuō)明的。
上述結(jié)構(gòu)在最小厚度上還具有限制，該最小厚度可以通過(guò)載流子限制(訴諸于有限的阱深度)和實(shí)際制造方法(訴諸于多層)獲得。通過(guò)使用絕緣體作為支持層，傳感器的厚度可以獲得更多的減少，如圖55所示?？梢杂糜诮^緣層306的材料實(shí)例是二氧化硅或者氮化硅，但是本發(fā)明包括任何的絕緣體，并不限制于這兩種。
隨著壓阻傳感器厚度的降低，靈敏度增加的益處在“真空壓阻NEMS位移傳感器的靈敏度”部分有說(shuō)明。這里說(shuō)明的本發(fā)明允許將厚度降低到超過(guò)使用本征硅上重?fù)诫s硅的傳統(tǒng)2層結(jié)構(gòu)可以獲得的厚度。
用于VHF NEMS的平衡電子位移探測(cè)用于探測(cè)納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)中電子位移的寬帶射頻(RF)平衡橋技術(shù)使用雙端口激勵(lì)-探測(cè)構(gòu)型，其在DC磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生背景為零的電動(dòng)力(EMF)，該力與NEMS傳感器的位移成比例。該技術(shù)的有效性通過(guò)探測(cè)由NEMS電機(jī)械共振導(dǎo)致的小電阻變化加以顯示，其中該共振在非常高的頻率(VHF)內(nèi)伴隨著大的統(tǒng)計(jì)背景電阻。該技術(shù)允許研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，例如摻雜半導(dǎo)體NEMS，并為其它高頻位移轉(zhuǎn)換電路提供了益處。
圖19a、19b和19c涉及磁勢(shì)反射和橋測(cè)量。盡管圖解的實(shí)施例涉及磁勢(shì)NEMS器件，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的精神包括所有類(lèi)型的NEMS器件，而不論其誘發(fā)運(yùn)動(dòng)的方法，例如靜電、熱噪音、聲學(xué)等。圖19a是圖解磁勢(shì)反射的示意圖，其中只有一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)的NEMS器件，而圖19b是圖解橋測(cè)量的示意圖，其中有兩個(gè)產(chǎn)生信號(hào)的NEMS器件，它們彼此平衡。在兩種測(cè)量中，網(wǎng)絡(luò)分析器68或者其它的振蕩器提供驅(qū)動(dòng)電壓Vin。在圖19b的橋測(cè)量中，Vin在施加到端口64和66之前被功率分配器分成兩個(gè)異相分量。RL是輸入阻抗，RS是網(wǎng)絡(luò)分析器68的源阻抗。在例證性實(shí)施例中，RS＝RL＝50Ω。
圖19b中，NEMS器件60b被模擬成并聯(lián)RLC網(wǎng)絡(luò)，具有復(fù)合機(jī)械阻抗Zm(ω)和DC耦合電阻Re。ΔR是橋的兩個(gè)臂——NEMS器件60a和60b——之間的DC失配電阻。如果傳輸線(xiàn)具有不相等的電路徑長(zhǎng)度，則特別是在高頻橋測(cè)量中，它們會(huì)擾動(dòng)整個(gè)相平衡。圖19c是圖19b中典型橋器件的掃描電子顯微鏡(SEM)圖象，其中該器件由外延生長(zhǎng)的晶片制造而成，該晶片在1μm厚度的AlGaAs犧牲層上具有50nm厚的n+GaAs和100nm厚的本征GaAs結(jié)構(gòu)層，該圖顯示了在探測(cè)端口62和激勵(lì)端口64和66之間延伸的NEMS梁或者器件60a和60b。歐姆接觸襯墊在顯微圖象上顯得粗糙。雙鉗制梁60a、60b的尺寸為8μm(L)×150nm(w)×500nm(t)，且共面基波彎曲機(jī)械共振頻率為大約35MHz。
設(shè)計(jì)如圖19(b)所示的平衡電路提高探測(cè)效率，其中該電路在橋的一側(cè)上具有NEMS傳感器60b，在另一側(cè)上具有電阻R≈Re的匹配有效電阻器60a。通過(guò)向電路的驅(qū)動(dòng)端口64和驅(qū)動(dòng)端口66施加兩個(gè)180°反相的電壓使ω≠ω0，則讀出端口62的電壓Vo(ω)為零。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在平衡點(diǎn)62的任何一側(cè)上制造兩個(gè)相同的雙鉗制梁傳感器代替?zhèn)鞲衅骱推ヅ潆娮杵鳎軌蚴乖撾娐芬苑浅８叩撵`敏度平衡。
圖19(c)的SEM顯微圖象中顯示了具有等價(jià)驅(qū)動(dòng)端口64和66以及平衡或者探測(cè)點(diǎn)62的典型器件。在該器件中，我們總能獲得兩個(gè)良好分離的機(jī)械共振，每個(gè)梁傳感器60a、60b具有|ω2-ω1|＞＞ω1/Q1，其中ω1和Q1是傳感器60a、60b的共振頻率和品質(zhì)因數(shù)(i＝1，2)，如圖21所示。圖21表明，在任何機(jī)械共振的附近，該系統(tǒng)都能夠通過(guò)圖19(b)操作電路的機(jī)械傳感器-匹配電阻器模型加以良好的描述。我們將該行為歸因于制造過(guò)程中高的Q因子(Q≥103)和共振頻率對(duì)參數(shù)局部改變的極大靈敏度。
首先，為了清晰地評(píng)估這些改進(jìn)，我們比較了雙鉗制梁基本彎曲共振的反射和平衡橋測(cè)量，該雙鉗制梁由n+(B摻雜)Si及由n+(Si摻雜)GaAs繪制圖形。這些無(wú)金屬化層類(lèi)型NEMS傳感器60a、60b的機(jī)械共振的電子探測(cè)已經(jīng)證實(shí)是很有希望的，因?yàn)閷?duì)于這些系統(tǒng)，雙端口阻抗能夠非常高；Re≥2kΩ，Rm＜＜Re。磁勢(shì)梁通常需要金屬化以便被驅(qū)動(dòng)，但是在橋測(cè)量的實(shí)例中，測(cè)量非常敏感以致于能夠使用非金屬化的磁勢(shì)半導(dǎo)體梁。無(wú)論如何，利用這里說(shuō)明的橋技術(shù)，我們探測(cè)了B摻雜Si傳感器10MHz＜f0＜85MHz的基本彎曲共振，和Si摻雜GaAs梁7MHz＜f0＜35MHz的基本彎曲共振。在我們所有的測(cè)量中，當(dāng)Rm≤10Ω且Re保持在2kΩ＜Re＜20kΩ時(shí)，Rm＜＜Re保持為真。
這里，我們聚焦于從n+Si梁獲得的結(jié)果。這些器件由絕緣體晶片上的B摻雜Si制造，該晶片上具有厚度分別為350nm和400nm的Si層和埋置氧化物層。摻雜在950℃下執(zhí)行，平均片電阻R□≈60Ω樣品的平均摻雜濃度估計(jì)為Na≈6×1019cm-3。實(shí)際器件的制造用傳統(tǒng)或者標(biāo)準(zhǔn)方法采用光蝕刻，電子束蝕刻以及剝蝕(lift off)步驟，之后進(jìn)行各向異性電子回旋加速共振(ECR)等離子體和選擇性HF濕腐蝕執(zhí)行。制造之后，樣品粘合于芯片載體，并通過(guò)Al絲線(xiàn)鍵合提供電連接。橋在點(diǎn)62的電機(jī)械響應(yīng)在超導(dǎo)螺線(xiàn)管產(chǎn)生的磁場(chǎng)中加以測(cè)量。
圖20a是雙鉗制、B摻雜Si梁的簡(jiǎn)圖，該梁在25.598MHz下共振，Q大約為3×104，在上曲線(xiàn)72的反射構(gòu)型和下曲線(xiàn)74磁場(chǎng)強(qiáng)度為B＝0，2，4，6T的橋構(gòu)型中加以測(cè)量。驅(qū)動(dòng)電壓相等。在橋測(cè)量中，背景降低大約200的因子。橋測(cè)量中的共振相相對(duì)于圖21所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)偏移180°。圖20b是兩種構(gòu)型寬帶轉(zhuǎn)換函數(shù)振幅的曲線(xiàn)。橋電路中激勵(lì)和探測(cè)部分之間的耦合是電容性。
特別地，圖20(a)顯示了尺寸為15μm(L)×50nm(w)×350nm(t)，Re≈2.14kΩ的器件的響應(yīng)，其在反射(上曲線(xiàn))72和曲線(xiàn)74中數(shù)個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的橋構(gòu)型中加以測(cè)量。當(dāng)T≈20K，Q≈3×104時(shí)，該器件在25.598MHz處具有共面彎曲機(jī)械共振。DC失配阻抗，ΔR大約為10Ω。注意，在橋測(cè)量中背景降低了大約200≈Re/ΔR的因子，如下面的分析所示。
圖20(b)是顯示相當(dāng)驅(qū)動(dòng)在零磁場(chǎng)下兩種構(gòu)型寬帶轉(zhuǎn)移函數(shù)的測(cè)量結(jié)果的曲線(xiàn)圖。注意在相當(dāng)大的頻率范圍下動(dòng)態(tài)背景降低了至少100的因子。
在Re為大約100Ω的并埋置在橋構(gòu)型中的金屬化SiC梁60a、60b中，我們能夠探測(cè)到深達(dá)VHF帶(Rm大約為1Ω)的機(jī)械彎曲共振。圖21是顯示兩個(gè)2μm(L)×150nm(w)×80nm(t)的雙鉗制SiC梁60a、60b共面彎曲機(jī)械共振的數(shù)據(jù)軌跡的曲線(xiàn)圖。在T≈4.2K時(shí)，有兩個(gè)Q因子大約為103的良好分離的共振分別在198.00和199.45MHz是非常突出的。這些梁使用下面參考SiC梁制造說(shuō)明的處理分別用厚度為20nm和3nm的Al和Ti頂金屬化層制造。
橋中配置的NEMS器件60a，60b能夠有效地看作具有獨(dú)立激勵(lì)-探測(cè)端口64-62，66-62的雙端口器件。顯然，兩個(gè)端口64，66之間的耦合不是唯一的機(jī)械本質(zhì)，而是機(jī)械響應(yīng)由于端口64，66之間電子耦合的動(dòng)態(tài)零值而主導(dǎo)電機(jī)械轉(zhuǎn)換功能。
我們最近通過(guò)構(gòu)建在橋中的雙鉗制梁60a或者60b的基本機(jī)械共振的相鎖定環(huán)(phase locked loop)(PLL)證實(shí)了連續(xù)頻率跟蹤(tracking)。因?yàn)橛晒β史峙淦鲗?dǎo)致的源阻抗Rs在橋的兩個(gè)臂內(nèi)是對(duì)稱(chēng)的，所以顯然不能并入到Zeq’(ω)中，而是能夠看作Re的一部分。實(shí)際上，用Re+Rs代替Re將產(chǎn)生更一般的形式。
電路中點(diǎn)62的電壓能夠通過(guò)模擬方程4.1如下地確定V(ω)=-Vin(ω)(ΔR+Z(ω)(Zm(ω)+ΔR)(1+ReRL)+Re(2+ReRL)=-Vin(ω)Zeq′(ω)(ΔR+Zm(ω))---4.3]]>在ω＝ω0，我們能夠類(lèi)似于方程4.2地為信號(hào)S和背景B定義探測(cè)效率SB=RmΔR---4.4]]>假定ΔR較小，則探測(cè)效率顯著高于單端口的例子。在共振的附近，背景被減小Re/ΔR的因子，如圖20(a)的測(cè)量所證實(shí)的。然而，由制造導(dǎo)致的本征共振失配ΔR并不是背景降低的最終限制。
進(jìn)一步平衡，因此能夠通過(guò)在相對(duì)臂內(nèi)插入可變衰減器64a和相移位器66a獲得背景降低。衰減器64a能夠更精確地平衡失配，而相移位器66a可補(bǔ)償由于插入衰減器64a產(chǎn)生的相失衡。
然而在較高的頻率下，圖19b的電路模式以及上述解釋變得不準(zhǔn)確，這從轉(zhuǎn)換函數(shù)的測(cè)量結(jié)果中可以顯見(jiàn)。電容耦合成為高頻下激勵(lì)端口64和66與探測(cè)或者平衡端口62之間的主導(dǎo)，如圖20(b)所示，這可以降低該技術(shù)的整體效率。通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)電路布局和鍵合襯墊，能夠使這些問(wèn)題最小化。
通過(guò)解決輸出阻抗Re與放大器輸入阻抗RL之間存在的顯著阻抗失配問(wèn)題，Re＞＞RL，能夠進(jìn)一步改良信號(hào)。在例證性實(shí)施例中，例如在圖20(a)中顯示的測(cè)量中，該輸出阻抗失配導(dǎo)致了估計(jì)為40dB的信號(hào)衰減。輸出阻抗匹配電路62a能夠用于避免梁和負(fù)載電阻之間的失配。
NEMS器件中的能耗對(duì)納米級(jí)摻雜梁傳感器的測(cè)量對(duì)NEMS器件中的能耗機(jī)制，特別是來(lái)自NEMS表面和表面吸附物的能耗機(jī)制提供了洞察力。在所調(diào)查的10MHz＜f0＜85MHz的頻率范圍內(nèi)，B摻雜Si梁中測(cè)得的2.2×104＜Q＜8×104的Q因子比從金屬化梁中獲得的高2-5。比較嚴(yán)格上是定性的。我們?cè)陂g隔指定頻率范圍的不同實(shí)驗(yàn)周期中比較了8種金屬化的和14種摻雜的Si梁的Q因數(shù)。根據(jù)提議，金屬化層和雜質(zhì)摻雜劑都有利于能量消耗。我們的測(cè)量結(jié)果似乎證實(shí)，在納米等級(jí)，金屬化層能夠顯著降低Q因數(shù)。其次，所獲得的高Q因數(shù)和無(wú)金屬膜的表面使得這些摻雜梁成為探測(cè)由表面吸附物和缺陷導(dǎo)致的小能量消耗的優(yōu)良工具。實(shí)際上，通過(guò)Re有效地原位電阻加熱摻雜梁顯示出利于熱退火和表面吸附物的去吸附，借此產(chǎn)生更高的Q因子。這些器件對(duì)于研究吸附物介導(dǎo)的消耗過(guò)程是有希望的。
總之，我們開(kāi)發(fā)出了寬帶、平衡射頻橋技術(shù)，用于探測(cè)小NEMS位移。該技術(shù)可以被證實(shí)有利于其他的高頻高阻抗應(yīng)用，例如壓阻位移探測(cè)。該技術(shù)的唯一優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)υ净旧喜荒軠y(cè)量的系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械共振的電子測(cè)量。
超高頻碳化硅納米機(jī)械傳感器基本模式共振頻率處于超高頻(UHF)帶的納米機(jī)械傳感器用單晶體碳化硅薄膜材料制造，并通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)變換與平衡橋讀出電路一起進(jìn)行測(cè)量。先于本發(fā)明制造的單元測(cè)得的最高共振頻率是632MHz。這里說(shuō)明的技術(shù)還在獲得微波L帶頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中具有顯然的潛力，該頻率在研究介觀等級(jí)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)制時(shí)，以及在開(kāi)發(fā)下一代納米電機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)的嶄新技術(shù)中具有巨大的希望。
在例證性實(shí)施例中，我們公布了超高頻碳化硅納米機(jī)械傳感器。我們的測(cè)量基于磁勢(shì)轉(zhuǎn)換，成功地探測(cè)了頻率超過(guò)600MHz的共振。進(jìn)一步，容易看到，我們的技術(shù)并不僅限于已經(jīng)獲得的UHF頻率范圍。通過(guò)對(duì)同一測(cè)量設(shè)置進(jìn)行微小的優(yōu)化預(yù)期能夠容易地獲得微波L帶(1-2GHz)。器件制造過(guò)程與Y.T.Yang等(Appl.Phys.Lett.，78，162-164(2001))說(shuō)明的相似，只是在腐蝕掩模選擇上有微小的差異。這里用于納米級(jí)單晶的方法，3C-SiC層并不是基于濕化學(xué)腐蝕和/或晶片鍵合。特別值得注意的是，表面納米機(jī)械制造過(guò)程的最終懸置步驟通過(guò)使用干腐蝕技術(shù)執(zhí)行。當(dāng)限制大機(jī)械服從器件時(shí)，這避免了由于濕腐蝕處理中遇到的表面張力導(dǎo)致的潛在損壞，并且避免了臨界點(diǎn)干燥的需要。
用于器件制造的開(kāi)始材料是在100mm直徑(100)Si晶片上各向異性生長(zhǎng)的259nm厚單晶體3C-SiC膜。3C-SiC外延生長(zhǎng)在RF感應(yīng)加熱反應(yīng)器中通過(guò)二步碳化物基大氣壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)處理加以執(zhí)行。硅烷和丙烷用作處理氣體，氫氣用作運(yùn)載氣體。外延生長(zhǎng)在大約1330℃的襯托器(susceptor)溫度下執(zhí)行。用該處理生長(zhǎng)的3C-SiC膜在每個(gè)晶片上具有均勻的取向(100)，如X射線(xiàn)衍射所表征的。透射電子顯微鏡和選擇區(qū)域衍射分析表明，膜是單晶體。顯微結(jié)構(gòu)典型的是在Si襯底上生長(zhǎng)的3C-SiC膜，最大的缺陷密度被發(fā)現(xiàn)位于SiC/Si界面附近，該界面隨著膜厚度增加而降低。這些膜的唯一性質(zhì)是，3C-SiC/Si界面沒(méi)有空腔，這不是通過(guò)APCVD生長(zhǎng)的3C-SiC/Si膜經(jīng)常報(bào)告的性質(zhì)。
通過(guò)用光蝕刻限定大面積接觸襯墊開(kāi)始制造。然后蒸發(fā)(evaporate)60nm厚Cr層，隨后用丙酮執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)剝離。然后在通過(guò)電子束蝕刻繪制圖形之前，用雙層聚甲基異丁烯酸酯PMMA抗蝕劑涂布樣品。在抗蝕劑曝光和顯影之后，在樣品上蒸發(fā)30-60nM的Cr，之后在丙酮中進(jìn)行剝離。然后通過(guò)各向異性電子回旋加速共振(ECR)等離子體腐蝕將Cr金屬掩模中的圖形轉(zhuǎn)移到位于其下面的3C-SiC。我們使用NF3，O2和Ar等離子體，壓力為3mTorr，各個(gè)流速為10，5，10sccm，微波功率為300W。加速DC偏置電壓為250V。這些條件下的腐蝕速度為大約65nm/min。
然后用Si的選擇性各向同性ECR腐蝕受控地局部腐蝕Si襯底釋放垂直腐蝕的結(jié)構(gòu)。我們使用NF3和Ar等離子體，壓力為3mTorr，流速均為25sccm，微波功率為300W，DC偏置電壓為100V。我們發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的NF3和Ar在這些條件下并不能以顯著的速度腐蝕SiC。Si的水平和垂直腐蝕速度大約為300nm/min。這些恒定的腐蝕速度使我們能夠獲得對(duì)結(jié)構(gòu)鉗制區(qū)域內(nèi)的底切(undercut)進(jìn)行顯著水平的控制。懸置結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)之間的距離能夠被控制在100nm之內(nèi)。
在結(jié)構(gòu)被懸置之后，或者通過(guò)Ar等離子體的ECR腐蝕或者通過(guò)濕Cr光掩模腐蝕劑(高氯酸和硝酸氨鈰(ceric ammonium nitrate))除掉Cr腐蝕掩模。結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度(robustness)允許我們?yōu)榇艅?shì)轉(zhuǎn)換被釋放的結(jié)構(gòu)所需的金屬化步驟執(zhí)行隨后的光蝕刻步驟。再次用雙層PMMA涂布懸置樣品，并且在對(duì)準(zhǔn)步驟之后，通過(guò)電子束光蝕刻繪制圖形限制期望的電極。電極結(jié)構(gòu)通過(guò)熱蒸發(fā)5nm厚Cr和40nm厚Au膜，之后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)剝離而實(shí)現(xiàn)。最后，執(zhí)行另一個(gè)光蝕刻步驟，隨后進(jìn)行5nmCr和200nmAu蒸發(fā)和傳統(tǒng)的剝離，從而為絲線(xiàn)鍵合限制大接觸襯墊。
最終器件的SEM顯微圖象如圖22所示。圖22a和22b的照片分別是器件的頂視圖和側(cè)視圖。通過(guò)熱蒸發(fā)用于粘著的6nmCr金屬膜，之后蒸發(fā)80nmAu膜形成大面積指墊(finger pad)76。由電子束光蝕刻限定的器件的精細(xì)結(jié)構(gòu)78被由電子束蒸發(fā)沉積的36nm鎳膜覆蓋。這些金屬膜，包括Ni和Au，起雙重作用，即用作腐蝕掩模和用于電傳導(dǎo)。
在垂直于晶片表面的各向異性電子回旋加速共振(ECR)腐蝕期間，構(gòu)成結(jié)構(gòu)78一部分的金屬膜用于保護(hù)它們下方的單晶體3C-SiC薄膜。該第一腐蝕步驟暴露出未被金屬覆蓋區(qū)域內(nèi)的襯底硅材料。隨后的第二ECR腐蝕步驟緩慢地各向同性地除去硅材料，使金屬化碳化硅梁76從襯底懸置。每個(gè)器件10都由兩個(gè)標(biāo)稱(chēng)上相同的雙鉗制梁78構(gòu)成。圖22c和22d是器件10的兩個(gè)梁78其中一個(gè)的放大圖。從圖22d的照片中能夠最好地看出梁懸置。另外從這些照片中，我們能夠粗略地測(cè)量懸臂梁的幾何尺寸長(zhǎng)度l為1.25μm，寬度w為0.18μm，厚度t為0.075μm。SiC膜的厚度能夠通過(guò)從梁的整體厚度或者高度測(cè)量結(jié)果中減去36nm的鎳厚度而獲得，因?yàn)檎麄€(gè)腐蝕處理期間鎳厚度的減少的校準(zhǔn)可以忽略。
所用的金屬掩模被保留作為磁勢(shì)轉(zhuǎn)換所需的導(dǎo)體層。具有鎳金屬化的典型梁的電阻測(cè)量值為大約90歐姆，相同器件中兩個(gè)梁78之間的電阻失配處于1-2％的范圍內(nèi)。
隨后將樣品安裝在樣品固定器上(未顯示)，絲線(xiàn)鍵合于50歐姆微帶(microstrip)線(xiàn)(未顯示)，其進(jìn)一步耦合于50歐姆同軸電纜(未顯示)。連接圖23中橋電路的器件指墊76a和76b的電纜和連接被制造得幾乎相同，一直延伸到180°功率分配器80的兩個(gè)輸出連接器，該功率分配器將來(lái)自HP8720C網(wǎng)絡(luò)分析器84端口82的驅(qū)動(dòng)功率分成兩個(gè)相等的分量，但相差為180°。在低溫測(cè)量中，器件10位于浸漬器(dipper)或者裝置柱(instrument column)中，其真空罐或者樣品室被抽真空并且浸沒(méi)在液氦中。通過(guò)超導(dǎo)磁極(未顯示)提供均勻靜磁場(chǎng)，其場(chǎng)方向垂直于雙鉗制梁78。當(dāng)RF電流通過(guò)梁78的導(dǎo)電層時(shí)，梁78將經(jīng)受頻率為RF驅(qū)動(dòng)頻率的力。如果驅(qū)動(dòng)力的頻率與梁78的機(jī)械共振頻率不匹配，則誘發(fā)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)很微小。
在理想情況下，接線(xiàn)端86是完全接地的，其中兩個(gè)梁78完全相同，電路部分的兩個(gè)分支與它們相連。非理想會(huì)導(dǎo)致偏離理想完全接地的殘余背景偏移，并且器件的兩個(gè)梁78對(duì)于相同的模式其共振頻率有微小的差異。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率與其中一個(gè)梁78的基波機(jī)械共振頻率相匹配時(shí)，該梁78將發(fā)生共振機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)垂直于磁場(chǎng)，誘發(fā)相同頻率的EMF電壓。該EMF電壓將起附加電發(fā)生器的作用，并且影響從器件的接線(xiàn)端86向探測(cè)端口88發(fā)送的功率。隨后該功率在網(wǎng)絡(luò)分析器84的端口88被放大和探測(cè)。
在網(wǎng)絡(luò)分析語(yǔ)言中，我們測(cè)量了網(wǎng)絡(luò)前傳輸系數(shù)S21的頻率依賴(lài)性。由定義可知，|S21|2表示傳遞到匹配負(fù)載的功率與入射到輸入端口上的功率的比。關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的信息作為頻譜中的共振峰加以顯示。
當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向與晶片表面90共面，其中該晶片表面是圖22a的表面，并且垂直于梁78時(shí)，運(yùn)動(dòng)的方向垂直于晶片表面90并被參考作為異面共振。當(dāng)磁場(chǎng)垂直于晶片表面90時(shí)，則激發(fā)所謂的共面共振的類(lèi)似彎曲模式。該模式涉及晶片表面90平面內(nèi)的共振運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于標(biāo)稱(chēng)上與圖22a-22d中其中一個(gè)所示相同的器件10，異面共振峰發(fā)現(xiàn)在342MHz和346MHz，其分別響應(yīng)器件10兩個(gè)梁78的運(yùn)動(dòng)。將樣品固定器的方位改變90°之后，又進(jìn)行了共面共振測(cè)量。共面共振發(fā)現(xiàn)分別處于615MHz和632MHz。
使用下面的方程能夠估計(jì)出共振頻率的期望值。長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為t的雙鉗制梁的基波共振頻率f隨幾何因子t/L2線(xiàn)性變化，具有如下的簡(jiǎn)單關(guān)系f=1.03Eρ1L2]]>其中E是楊氏模量，r是質(zhì)量密度。在我們的器件中，共振響應(yīng)并不如此簡(jiǎn)單，因?yàn)榻饘匐姌O的附加質(zhì)量和硬度改變了器件的共振頻率。隨著梁尺寸的縮小，該效應(yīng)變得特別顯著。為了從由于電極負(fù)載和硬度導(dǎo)致的次級(jí)效應(yīng)中分離出對(duì)結(jié)構(gòu)材料的主要依賴(lài)，我們對(duì)復(fù)合振動(dòng)梁采用簡(jiǎn)單的模式。大體上，對(duì)于由材料不同的兩個(gè)層構(gòu)成的梁，共振方程被修改成f=ηL2(E1I1+E2I2ρ1A1+ρ2A2)12]]>這里，角標(biāo)1和2分別指結(jié)構(gòu)和電極層的幾何和材料性能。常數(shù)η取決于模式數(shù)和邊界條件；對(duì)于雙鉗制梁的基本模式η＝3.57。假定由電極層(層2)導(dǎo)致的修正較小，我們能夠定義修正因數(shù)K，從而允許用表達(dá)式直接比較相似的梁f=ηL2(E1I10ρ1A10)12]]>其中K=E1I1+E2I2E1I1011+ρ2A2ρ1A1]]>在該表達(dá)式中，I10是沒(méi)有第二層時(shí)計(jì)算的力矩。然后能夠使用修正因數(shù)K獲得測(cè)得頻率的有效幾何因子[t/L2]eff的值。進(jìn)一步，如果梁處于顯著的拉伸或者壓縮應(yīng)力下，則預(yù)期會(huì)出現(xiàn)高于[t/L2]eff的非線(xiàn)性修正項(xiàng)。但是，我們的數(shù)據(jù)的線(xiàn)性趨勢(shì)顯示，對(duì)頻率的內(nèi)應(yīng)力修正較小。
測(cè)得的共振頻率比估計(jì)值低大約30％。與我們先前的工作在較低頻率范圍下遭遇到的相比，該差異并不令人吃驚。特別地，當(dāng)器件尺寸減小時(shí)，表面、缺陷和不理想鉗制等的作用變得非常重要。這些因素在該預(yù)測(cè)中沒(méi)有考慮。
在圖24所示的共面共振數(shù)據(jù)中，其中磁場(chǎng)為8特斯拉，驅(qū)動(dòng)功率為-60dBm，分辨率帶寬等于10Hz。描點(diǎn)作出前傳輸系數(shù)的頻率依賴(lài)性的曲線(xiàn)圖。該插圖顯示了復(fù)合函數(shù)在S21面上的投影。如所預(yù)期的，在大約180°相差下觀察到了兩個(gè)共振峰。在這些數(shù)據(jù)中，提供了有關(guān)機(jī)械傳感器和連接的信息。為了提取關(guān)于機(jī)械共振結(jié)構(gòu)的信息，我們從由共振峰獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)中減去固定的背景，其也是頻率的復(fù)值函數(shù)。減去背景之后，最終函數(shù)的振幅在圖25中描點(diǎn)作圖。在實(shí)驗(yàn)誤差內(nèi)，去包埋振幅峰能夠被固定在Lorentzian形狀，峰高度粗略地與B2成比例，和預(yù)期的一致。
圖25的振幅軸被標(biāo)準(zhǔn)化，從而其值表示反饋回低溫放大器(cryoamp)92輸入端的信號(hào)電壓。該標(biāo)準(zhǔn)化能夠通過(guò)定義網(wǎng)絡(luò)前傳輸系數(shù)并結(jié)合放大器92的增益(48dB)知識(shí)容易地實(shí)現(xiàn)。在該估計(jì)中，我們忽略了同軸電纜的損失。還忽略了器件輸出端阻抗失配的影響，其中該影響在我們的例子中只能貢獻(xiàn)單位量級(jí)的因子。在該簡(jiǎn)化中，參考圖25所示低溫放大器92輸入端的信號(hào)電壓可以認(rèn)為近似于磁勢(shì)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的EMF電壓，其可以如下表示Vemf～BL2πf0A5.1其中L是梁的長(zhǎng)度，f0是共振頻率，B是磁場(chǎng)大小，A是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位移幅度。我們由此獲得了8特斯拉磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最大振幅為大約7×10-3_。
如果每 的噪音電壓已知，使用相同的表達(dá)式，我們還能夠估計(jì)位移靈敏度。大體上，探測(cè)靈敏度受梁共振的Johnson噪音和來(lái)自預(yù)放大器92的噪音的限制。這兩個(gè)噪音源彼此相當(dāng)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在液氦溫度下進(jìn)行的。梁電阻典型地為幾十歐姆，MITEQ低溫放大器92的噪音溫度在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)為數(shù)K。組合噪音相對(duì)于輸入有效地是大約10K的噪音溫度，其相應(yīng)于 的每 的噪音電壓。這進(jìn)而給出了大約 的位移靈敏度。實(shí)際上，從圖25估計(jì)出的噪音高于由因子a_得到的上限值。該附加噪音反映了網(wǎng)絡(luò)分析器84的接收器靈敏度。
出于特別說(shuō)明的目的，我們沒(méi)有試圖優(yōu)化系統(tǒng)的噪音性能。然而，通過(guò)在低溫放大器92后面添加增益為-40dB的合適低噪音二階放大器(未顯示)，以便利用低溫放大器92超低噪音特性的全部性能，基本上價(jià)值不大。
作為一級(jí)近似，我們知道，共面情況下的共振頻率f0=EρWL2---5.2]]>其中W、L分別是梁的寬度和長(zhǎng)度。E是楊氏模量，ρ是質(zhì)量密度。組合方程5.1和5.2我們得到Vemf∝BAEρWL---5.3]]>由方程5.2，我們知道，梁的尺寸在三個(gè)維度上都縮小了相同的比率，利用上述的器件作為開(kāi)始點(diǎn)，能夠容易地使共振頻率進(jìn)入到微波L帶。這種按比例縮小能夠通過(guò)e束蝕刻的電流技術(shù)容易地實(shí)現(xiàn)。另一方面，方程5.3告訴我們，只要我們保持相同的B磁場(chǎng)，相同的材料和相似的機(jī)械運(yùn)動(dòng)振幅，信號(hào)振幅就不會(huì)被顯著降低。
總之，我們說(shuō)明了通過(guò)相同的技術(shù)對(duì)基波共振頻率處于UHF范圍和微波L帶頻率內(nèi)的碳化硅納米傳感器的測(cè)量。這為獲得先前無(wú)法獲得的機(jī)械運(yùn)動(dòng)頻率帶提供了途徑。
通過(guò)洛侖茲力頻率調(diào)諧NEMSINEMS傳感器磁勢(shì)NEMS傳感器的共振頻率能夠通過(guò)由洛侖茲力器件施加給共振梁的變化靜應(yīng)力進(jìn)行精細(xì)地調(diào)諧，該洛侖茲力通過(guò)使DC電流通過(guò)梁而產(chǎn)生。我們對(duì)雙鉗制梁94執(zhí)行了全部的測(cè)量，如圖26的SEM圖象所示。這些梁用GaAs和Si微機(jī)械制造而成。為了電耦合于這些機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們?cè)诹?4的頂部繪制了d≈50nm的薄Au或Al電極層圖形。多個(gè)梁94具有不同的長(zhǎng)度50μm＜L＜70μm，固定的w＝1.5μm和t＝0.8μm，用于力調(diào)諧實(shí)驗(yàn)，覆蓋的頻率范圍為1MHz＜ω/2π＜3.5MHz。為了考察頻率的溫度變化，在同一芯片上制造了具有不同縱橫比(4MHz＜f＜40MHz)的多個(gè)梁，并在溫度改變的同時(shí)記錄共振頻率。
對(duì)測(cè)量使用磁勢(shì)激勵(lì)和探測(cè)方案。簡(jiǎn)而言之，網(wǎng)絡(luò)分析器96用于沿梁94頂部的電極(未顯示)驅(qū)動(dòng)交變電流(AC)，其中梁94位于4.2K下超導(dǎo)磁體(未顯示)的孔內(nèi)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析器94探測(cè)洛侖茲力，該洛侖茲力是由于被AC電流激勵(lì)的梁94和由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)力產(chǎn)生的。通過(guò)檢查從共振曲線(xiàn)獲得頻率偏移的數(shù)據(jù)。
通過(guò)使直流(DC)以及AC驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電極產(chǎn)生調(diào)諧力。恒定磁場(chǎng)中的DC電流向梁施加恒定的洛侖茲力，每單位長(zhǎng)度τ＝IB，其中I是電流，B是磁場(chǎng)。這些實(shí)驗(yàn)中考察了兩個(gè)不同的幾何形狀。第一個(gè)實(shí)例中，梁94被垂直于芯片平面(定義為z方向)地加以激勵(lì)，并通過(guò)DC電流施加相同方向的洛侖茲力。在第二個(gè)實(shí)例中，梁相對(duì)于磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)90°，從而激勵(lì)與拉力共面(x-y平面)。
雙鉗制梁94的運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)梁方程加以模擬∂4u(x,t)∂x4-σAEI∂2u(x,t)∂x2=-ρAEI∂2u(x,t)∂t2]]>其中σ是梁內(nèi)的拉伸或者壓縮應(yīng)力，A和l分別是區(qū)域的截面積和力矩。E是楊式模量，ρ是材料通常的質(zhì)量密度，t是時(shí)間，x是沿梁的距離，而u是梁在激勵(lì)方向上的位移。
為了提供更一般的討論，我們?cè)诹悍匠讨邪藘?nèi)應(yīng)力項(xiàng)。然而，我們下面的分析顯示，內(nèi)應(yīng)力并不顯著修改所觀察的梁共振。基波共振頻率能夠由上面的方程得出ω0=1.03tL2E12ρ(1+12L2σ4π2Et2)]]>其中t和L分別是梁的厚度和長(zhǎng)度，E是楊氏模量。
我們測(cè)量了多達(dá)30個(gè)Si和GaAs梁的共振頻率。圖27顯示了梁94測(cè)得的基頻，其作為縱橫比t/L2的函數(shù)。實(shí)際上，我們觀察了共振頻率f對(duì)t/L2的線(xiàn)性依賴(lài)，表明梁94內(nèi)各種內(nèi)應(yīng)力對(duì)f的修正很小。從圖27的斜率測(cè)得的E/ρ值只有計(jì)算值的75％。然而，這能夠通過(guò)半導(dǎo)體犧牲層中的非故意底切的頻率降低效應(yīng)和由于電極層的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)加以解釋?zhuān)渲蟹枪室獾浊凶疃嗄軌蚴褂行чL(zhǎng)度改變10％，該電極層位于梁上用于磁勢(shì)電流(未顯示)。
i)洛侖茲力調(diào)諧在圖28中，我們提供了1.177MHz梁94的異面共振的調(diào)諧曲線(xiàn)。在三個(gè)不同的磁場(chǎng)內(nèi)做出了作為外加DC電流函數(shù)的頻率偏移Δfz/fz的圖形，其中Δfz是Z方向或者異面激勵(lì)的頻率變化，fz是Z方向或者異面激勵(lì)的頻率。實(shí)際上，重疊在圖30所示相同曲線(xiàn)上的圖形再次證實(shí)，該效應(yīng)確實(shí)是力調(diào)諧效應(yīng)。最低場(chǎng)下的明顯彎曲是由于DC電流的加熱效應(yīng)，這將在下面進(jìn)行討論。我們注意到，為4個(gè)1＜f＜3MHz的不同GAAs樣品獲得了性質(zhì)上相似的曲線(xiàn)。
圖29顯示了同一梁94對(duì)共面激勵(lì)的標(biāo)準(zhǔn)化共面頻率偏移Δfxy/fxy，其是用于不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的電流的函數(shù)。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，數(shù)據(jù)缺乏對(duì)稱(chēng)性變得更加明顯。圖31中作為每單位長(zhǎng)度上外加力的函數(shù)的調(diào)諧曲線(xiàn)暗示，該平面內(nèi)的力調(diào)諧效應(yīng)非常微弱，并且可能被加熱的頻率降低效應(yīng)所掩蓋。
ii)熱調(diào)諧圖32顯示了覆蓋有薄Au層的GaAs梁標(biāo)準(zhǔn)化異面和共面頻率的溫度改變。注意，兩個(gè)模式顯示出與顯示最小變化的剛性模型不同的溫度系數(shù)，這是很重要的。在該實(shí)例中，梁的尺寸w×t×L為1.5×0.8×70微米。異面和共面共振分別在fz＝1.177MHz和fxy＝1.838MHz。在具有稍高頻率(fz＝2.830MHz和fxy＝2.328MHz)的Si梁中觀察到了類(lèi)似的效應(yīng)。
圖32的數(shù)據(jù)表明，熱調(diào)諧在非常剛性的結(jié)構(gòu)中較微弱。該預(yù)期通過(guò)測(cè)量大量具有一定頻率范圍的梁94的共振頻率溫度依賴(lài)性得到證實(shí)。Si和GaAs的數(shù)據(jù)分別顯示在圖33和34中。還根據(jù)兩種材料的數(shù)據(jù)對(duì)聲速進(jìn)行了描點(diǎn)作圖，其假定密度電荷在該溫度范圍下是可以忽略?？梢圆捎萌魏蝹鹘y(tǒng)的加熱和冷卻源改變溫度。
i)洛侖茲力我們已經(jīng)討論了，梁內(nèi)的本征應(yīng)力對(duì)我們結(jié)構(gòu)的觀測(cè)共振頻率沒(méi)有任何貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖27)。我們將通過(guò)采用中性梁并添加由于恒定洛侖茲力產(chǎn)生的應(yīng)力項(xiàng)分析調(diào)諧問(wèn)題。因此，我們通過(guò)考察鉗制梁對(duì)與梁同軸的恒定應(yīng)力(后面我們將涉及洛侖茲力)的響應(yīng)開(kāi)始。圍繞平衡點(diǎn)的小振運(yùn)動(dòng)方程為∂4u(x,t)∂x4-σAEI∂2u(x,t)∂x2=-ρAEI∂2u(x,t)∂t2---6.1]]>其中σ是梁內(nèi)的拉伸或者壓縮應(yīng)力，A和l分別是區(qū)域的截面積和力矩。E是楊式模量，ρ是材料通常的質(zhì)量密度。應(yīng)力實(shí)例對(duì)鉗制邊界條件的振蕩頻率(ω0’)能夠通過(guò)解上面的方程獲得ω0′=1.03tL2EρA(1+AL2σ4π2EI)=ω01+3L2σπ2Et2---6.2]]>在該方程中，L和t分別是梁的長(zhǎng)度和厚度。共振頻率可以根據(jù)應(yīng)力的性質(zhì)，例如壓縮或者拉伸，而增加或降低。
每單位長(zhǎng)度的小恒定橫向力會(huì)修改梁94的平衡形狀。該拉力(pull)效應(yīng)下的梁94采取如下描述的彈性形狀u(x)=τ24EIx2(x-L)2---6.3]]>其中τ是梁上每單位長(zhǎng)度的恒力。該力導(dǎo)致梁延長(zhǎng)，從而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。由于τ產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力由下給出σ=EΔLL=160480L6Et2τ5=1420L6Ew2t2τ2---6.4]]>因此用方程6.2得到的新共振頻率為ω0′=ω01+1140π2(Lt)2τ2E2w2---6.6]]>注意，頻率偏移對(duì)于所有橫向力均是正的。
每單位長(zhǎng)度上恒力τ＝IB的頻率偏移的表達(dá)式具有如下的形式ω0′=ω01+1140π2(Lt)8I2B2E2w2---6.7]]>我們的L/t≈50，w＝1μm的GaAsA梁的前因子(prefactor)在公制單位下處于100的量級(jí)。每單位長(zhǎng)度上施加的最大力為4×10-3N/m。因此，我們能夠安全地?cái)U(kuò)展頻率偏移達(dá)Δω≈ω0(1280π2(Lt)8I2B2E2w2)---6.8]]>該表達(dá)式估計(jì)我們的梁94的標(biāo)準(zhǔn)化頻率偏移為10-5-10-6量級(jí)。然而，我們的測(cè)量在幾個(gè)顯著的方面偏離了上述表達(dá)式。首先，測(cè)量的頻率偏移對(duì)于z方向上的共振是不對(duì)稱(chēng)的，并且對(duì)于向襯底95牽引梁的力我們遇到了負(fù)的頻率偏移。我們觀察到的效應(yīng)顯著增大，并且在B和I變量?jī)?nèi)都是線(xiàn)性的。
然而，在每單位長(zhǎng)度上施加恒定力的方法導(dǎo)致洛侖茲力調(diào)諧的情況變得復(fù)雜。恒定電流I使局部溫度估計(jì)增加大約5-10K。因此，測(cè)得的頻率偏移是外加電流與由此產(chǎn)生的力的更詳細(xì)的函數(shù)Δf＝Δf調(diào)諧(I，B)+Δf加熱(I)該效應(yīng)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度B趨于零變得更加明顯。當(dāng)B＝0時(shí)，我們可以預(yù)期1中完全對(duì)稱(chēng)的曲線(xiàn)。如圖29所示，頻率偏移曲線(xiàn)隨著調(diào)協(xié)力變小而變得更加對(duì)稱(chēng)。在圖35中，我們?cè)跍p去偶數(shù)分量之后對(duì)圖29中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了繪圖，其中我們假定偶數(shù)分量是由于加熱導(dǎo)致的。注意圖35與圖28相似。但是，圖35中的效應(yīng)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
我們不理解在兩個(gè)實(shí)例中觀察到的不對(duì)稱(chēng)調(diào)諧的起源。這種不對(duì)稱(chēng)調(diào)諧能夠在彎曲結(jié)構(gòu)(buckled structure)中觀察到，然而在我們的實(shí)驗(yàn)中觀察的梁共振頻率顯示，我們的梁遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)生彎曲躍遷(buckling transition)。圖32和33中共振頻率的有興趣的溫度依賴(lài)性表明，共振頻率隨溫度的偏移與所觀察的行為無(wú)關(guān)。所觀察到的效應(yīng)可能是由于在半導(dǎo)體接觸金屬雙層內(nèi)形成的應(yīng)力。用多晶金屬和單晶高摻雜半導(dǎo)體制造的單部件梁消除了上述的應(yīng)力。
用利用磁勢(shì)轉(zhuǎn)換的彎曲和扭轉(zhuǎn)傳感器進(jìn)行位移探測(cè)的最終限制在例證性實(shí)施例中，我們?cè)谖C(jī)械傳感器部分中量化了磁勢(shì)探測(cè)技術(shù)的性能。我們概述了限制其在1MHz-1GHz頻率下的位移靈敏度的因素。我們?cè)u(píng)估了實(shí)際系統(tǒng)和裝置的靈敏度，并且顯示出，有可能獲得靈敏度在1GHz下的熱機(jī)械噪音極限。
i)磁勢(shì)轉(zhuǎn)換當(dāng)存在磁場(chǎng)時(shí)，垂直于場(chǎng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)誘發(fā)垂直于兩者的電動(dòng)力(EMF)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的電極向探測(cè)器發(fā)送感應(yīng)電壓信號(hào)或者EMF。讓我們?cè)u(píng)估機(jī)械傳感器運(yùn)動(dòng)的磁勢(shì)轉(zhuǎn)換。在接近傳感器標(biāo)準(zhǔn)模式的頻率下，并且在低振幅下，其運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)鉗制簡(jiǎn)單諧波振蕩器良好地加以描述，該振蕩器的有效質(zhì)量為m，有效彈簧常數(shù)為kmd2y(t)dt2+γmdy(t)dt+ky(t)=F(t)]]>γ表示由于運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部和外部自由度的耦合而增加的阻尼系數(shù)，其導(dǎo)致?lián)p耗。m值取決于模式形狀，k值取決于力F的施加方式和測(cè)量位移z的位置。對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)、厚度為t、寬度為w并在t方向上以基本彎曲模式振動(dòng)的直雙鉗制梁，梁的中心對(duì)均勻力的彈簧常數(shù)測(cè)量值為k＝32E(t/L)3w其中E是材料的彈性常數(shù)。
探測(cè)電極中沿電極的x坐標(biāo)感應(yīng)的每單位長(zhǎng)度的EMF是V0(x,t)=Bdy(c,t)dtsinθ(x)]]>其中，y垂直于場(chǎng)測(cè)量，θ是電極與場(chǎng)B之間的夾角。通過(guò)沿著探測(cè)電極的長(zhǎng)度Le進(jìn)行積分，總電壓能夠表示為幾何因子ξ的函數(shù)V0‾(t)=ξLeBdy(t)dt]]>如果位移在中心測(cè)量，則對(duì)于直雙鉗制梁的基本彎曲模式，ξ＝0.53。那么，在共振頻率ω0下，磁勢(shì)轉(zhuǎn)換的效率由下給出V0＝2πξLBf0y0我們因此定義器件的響應(yīng)度R為R=V0y0=2πξLBf0]]>
ii)磁勢(shì)電路模式對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)d的驅(qū)動(dòng)電極上由洛侖茲力F＝BIdLd驅(qū)動(dòng)的高Q傳感器，磁勢(shì)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生居中于共振頻率ω0=k/m]]>的Lorentzian線(xiàn)形狀V0(ω)=iωω02ξLeLB2/kω02-ω2+iγωId(ω)]]>對(duì)于直雙鉗制梁，振動(dòng)在厚度方向上的基頻為f0=1.03tL2Eρ]]>其中ρ是材料的質(zhì)量密度。
運(yùn)動(dòng)的方程與在圖36示意性顯示的并聯(lián)LCR電路中產(chǎn)生的電壓方程具有相同的形式，因此機(jī)械系統(tǒng)的相似電參數(shù)能夠如下定義Rm=ξL2B2ω0kQ]]>Cm=kξL2B2ω0]]>Lm=ξL2B2k]]>品質(zhì)因數(shù)Q描述了運(yùn)動(dòng)的能量消耗，并且與阻尼系數(shù)相關(guān)γ＝ω0/Q。因此，機(jī)械消耗可以用機(jī)械電阻表示。對(duì)于雙鉗制硅梁的基波共振ω0，Rm=0.00444B2Qwt12f32]]>運(yùn)動(dòng)的振幅與跨響應(yīng)性L(fǎng)CR傳感器的電幅成比例。
原理上，用于產(chǎn)生傳感器運(yùn)動(dòng)的技術(shù)并不直接與其探測(cè)相關(guān)。然而實(shí)際上，由于亞微米傳感器上的空間限制，使用梁表面上的單個(gè)電極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和探測(cè)是方便的。在磁勢(shì)方案中，通過(guò)使交變電流通過(guò)垂直于場(chǎng)的電極，能夠向器件施加振蕩洛侖茲力。我們的分析分為兩個(gè)性質(zhì)不同的實(shí)例，單端口實(shí)例，其中單個(gè)電極同時(shí)用作磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)和探測(cè)，和雙端口實(shí)例，其中探測(cè)電極被隔離。該雙端口實(shí)例與測(cè)量傳感器在不存在磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)外部激勵(lì)的響應(yīng)有關(guān)。
單端口實(shí)例單端口電路模式如圖37所示意性顯示。電阻96，Re，表示電極的DC電阻，而電阻98，RL，表示探測(cè)器的輸入阻抗。電阻100，R0，提供了大嵌入阻抗，從而驅(qū)動(dòng)電流源102。該器件通過(guò)50Ω的傳輸線(xiàn)104連接于驅(qū)動(dòng)102。圖36的RLC電流耦合在電阻96，Re，和地之間。
雙端口實(shí)例在具有磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)的雙端口實(shí)例中，驅(qū)動(dòng)電路與圖37的單端口電路相似。圖39所示的探測(cè)電路除了一個(gè)小的反應(yīng)耦合之外完全分離。探測(cè)電極能夠模擬為與電極電阻串聯(lián)的理想AC電壓源。AC源電壓V’與跨RLC并聯(lián)電路的電壓或者傳感器的運(yùn)動(dòng)成比例。測(cè)量電路中的電流Im通過(guò)在運(yùn)動(dòng)方程中添加阻尼力影響驅(qū)動(dòng)電路γ→γ′＝γ+κBLeIm/m其中，Le是探測(cè)電極的長(zhǎng)度，κ是說(shuō)明位于結(jié)構(gòu)不同位置處的兩個(gè)電極的幾何因子。在具有兩個(gè)并聯(lián)電極的直梁實(shí)例中，L’＝L，κ＝1。機(jī)械共振的電路通過(guò)添加并聯(lián)電阻加以修改Rd=ξBL2κL′IM]]>該近似在共振峰附近無(wú)效。
耦合于測(cè)量電路高頻率下對(duì)磁勢(shì)探測(cè)最顯著的障礙是轉(zhuǎn)換信號(hào)與探測(cè)器的有效耦合。隨著器件頻率的增加，其整體尺寸降低，探測(cè)電極的尺寸必須成比例地降低，以便使器件的機(jī)械性能不是由電極本身最終主導(dǎo)。因?yàn)殡姌O的電阻隨著L/wt按比例縮小，因此必須加以考慮。對(duì)于在100MHz及以上的頻率下工作的典型機(jī)械器件，源阻抗Rs比探測(cè)電路的負(fù)載阻抗RL大得多。如果對(duì)耦合電路不注意，則由探測(cè)器測(cè)得的電壓會(huì)顯著降低。
單端口實(shí)例
在單端口實(shí)例中，最直接的耦合選擇是完全直接地或者通過(guò)傳輸線(xiàn)將探測(cè)器連接于器件。如果使用RL＝50Ω的標(biāo)準(zhǔn)RF放大器，那么長(zhǎng)度為λ/2的傳輸線(xiàn)起1-1變壓器的作用，并且我們能夠替換圖38所示的等價(jià)電路。在該電路構(gòu)型中，電響應(yīng)不直接與傳感器的運(yùn)動(dòng)成比例。出于該目的，適當(dāng)?shù)氖菍Ⅰ詈闲识x為探測(cè)器在共振和失共振時(shí)的電壓差Vm與由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電壓V0之間的比值。共振時(shí)，響應(yīng)機(jī)械部分由Rm給出，而在失共振時(shí)，其基本上為零。因此耦合效率ε1由下給出 注意，當(dāng)電極電阻較大時(shí)，并且當(dāng)機(jī)械電阻或者傳感器的響應(yīng)較大時(shí)，耦合效率降低。耦合能夠通過(guò)使用高阻抗探測(cè)器，例如金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)(未顯示)，加以改良，但是如果是直接跨器件連接，則該改良只是大體上的。
雙端口實(shí)例在雙端口實(shí)例中，最實(shí)際的耦合策略是將源阻抗轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)低噪音RF放大器的50Ω輸入阻抗。這里，我們考慮最簡(jiǎn)單的阻抗轉(zhuǎn)換，二元L部分，如圖39所示。
無(wú)功元件的最佳選擇是L=RSωRLRS-RL]]>C=1ωRSRS-RLRL]]>其中Rs是探測(cè)電極的電阻。
然后將測(cè)得的電壓以如下因數(shù)減少ϵ2=VmV0=(RLRS)12(RS-RL4RS-3RL)12]]>例如，從1kΩ電極轉(zhuǎn)變成50Ω的信號(hào)，其耦合效率為0.11，而在單端口實(shí)例中為0.0023。顯然，雙端口構(gòu)型是優(yōu)選的，只要在器件上有足夠的空間用于電極，特別是當(dāng)意圖測(cè)量器件對(duì)外激勵(lì)的響應(yīng)時(shí)。
寄生電抗在高于100MHz的頻率下，必須考慮耦合電路上的寄生電抗效應(yīng)。對(duì)于長(zhǎng)3μm、寬200nm、厚100nm，在100MHz下振動(dòng)的直雙鉗制硅梁傳感器，70nm寬電極的自感是可以忽略的，為～2mΩ。兩個(gè)70nm寬的電極在相同傳感器上隔離60nm，它們之間的共有阻抗為～1mΩ。它們的電容也可以忽略，為～1fF。對(duì)于第一種近似，這些元件的電容和感應(yīng)系數(shù)隨著L的對(duì)數(shù)(L/w)按比例變化，它們預(yù)期對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀不重要，剛好進(jìn)入GHz的頻率范圍。最顯著的寄生元是地平面與導(dǎo)線(xiàn)之間的電容，其中地平面上放置有襯底，而導(dǎo)線(xiàn)將器件連接于傳輸線(xiàn)。對(duì)于500μm厚硅襯底上的寬100μm，長(zhǎng)500μm的典型導(dǎo)線(xiàn)，并聯(lián)電容為～150fF，或者在1GHz下為1kΩ。因?yàn)樵撾娙莘至黝?lèi)似阻抗的探測(cè)電極，因此它會(huì)降低測(cè)量的耦合效率和最終的靈敏度。為了保證在高于1GHz的頻率下具有高效的耦合，必須致力于使導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度最小化，或者通過(guò)在襯底上制造共面波導(dǎo)管向器件提供合適的傳輸線(xiàn)。
靈敏度分析系統(tǒng)限制磁勢(shì)探測(cè)技術(shù)的靈敏度限制是三個(gè)測(cè)量分量中每一個(gè)的函數(shù)轉(zhuǎn)換、耦合和放大。如上所示，轉(zhuǎn)換效率或者響應(yīng)度直接取決于器件的物理尺寸和工作頻率。讀出電路的耦合效率最有優(yōu)化潛力，因?yàn)樗Q于許多參數(shù)，包括探測(cè)電極的有限電容，寄生電抗和電路元件的自我耦合。讀出放大器的輸入噪音認(rèn)為是固定的。原理上，有三種用于測(cè)量的最終噪音源放大器噪音Sav，探測(cè)電極中的Johnson噪音SJv，和傳感器的本征熱機(jī)械振動(dòng)。由測(cè)量導(dǎo)致的噪音頻譜密度SmX能夠轉(zhuǎn)換成器件的運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)換如下SX(1,2)M=1R2(SVJ+1ϵ(1,2)2SVa)]]>我們的計(jì)算證實(shí)，器件和讀出能夠被設(shè)計(jì)成在最高達(dá)1GHz的頻率下將放大器噪音的貢獻(xiàn)降低到預(yù)期的熱機(jī)械噪音之下。
為了限制問(wèn)題的范圍，我們把在分析中提出的一般關(guān)系應(yīng)用于簡(jiǎn)單的實(shí)例，其中直雙鉗制梁在其表面上具有一個(gè)或兩個(gè)金電極，在其基本標(biāo)準(zhǔn)模式下振動(dòng)。我們進(jìn)一步要求，器件的厚度不小于50nm，驅(qū)動(dòng)和探測(cè)電極能夠相當(dāng)薄。許多應(yīng)用都具有一個(gè)附加要求，即測(cè)量電路對(duì)待測(cè)量的運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略。在磁勢(shì)探測(cè)中，測(cè)量的反作用(back-action)或者攝動(dòng)效應(yīng)與測(cè)量電路拉出的電流成比例。
轉(zhuǎn)換幾何形狀納米機(jī)械器件的幾何尺寸典型地受制造它的結(jié)構(gòu)層的厚度限制，或者受適合于制造處理或應(yīng)用的縱橫比限制。對(duì)于如下所示的簡(jiǎn)單彎曲和扭轉(zhuǎn)傳感器，(L，t，f0)中只有兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。因?yàn)槲覀兲貏e對(duì)高頻應(yīng)用感興趣，所以我們將根據(jù)(t，f0)和(L/t，f0)計(jì)算磁勢(shì)轉(zhuǎn)換的幾何相關(guān)參數(shù)。
表1和2顯示了這兩種簡(jiǎn)單幾何形狀的硅的頻率和響應(yīng)度。表1列舉了彎曲和扭轉(zhuǎn)傳感器中的幾何相關(guān)參數(shù)。在彎曲實(shí)例中，力常數(shù)在梁的中心202處測(cè)量，在扭轉(zhuǎn)實(shí)例中，在葉片(paddle)200的邊緣測(cè)量，如圖40所示。所有的數(shù)字量都具有SI單位。表2列舉了典型彎曲和扭轉(zhuǎn)傳感器的幾何相關(guān)參數(shù)。
表1
表2

雙鉗制梁202和扭轉(zhuǎn)傳感器200在RF頻率范圍內(nèi)提供相當(dāng)?shù)拇艅?shì)響應(yīng)度。盡管它們的力常數(shù)和響應(yīng)度相似，但是直梁比扭轉(zhuǎn)葉片(torsion paddle)傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為了獲得接近1GHz的頻率，而厚度不小于50nm，扭轉(zhuǎn)傳感器必須具有縱橫比非常小的逆轉(zhuǎn)棒204。例如，對(duì)于表中說(shuō)明的1GHz傳感器，該縱橫比為4。不僅結(jié)構(gòu)難以制造，而且回復(fù)扭矩的非線(xiàn)性系數(shù)對(duì)于縱橫比如此之小的扭轉(zhuǎn)棒而言也很強(qiáng)大。這嚴(yán)重地限制了任何器件應(yīng)用的線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)范圍。
耦合耦合效率由兩個(gè)相互矛盾的要求控制。源的阻抗要小，同時(shí)探測(cè)電極要小，以便使質(zhì)量負(fù)載和可能的阻尼效應(yīng)最小。為了使分析簡(jiǎn)化，我們給電極厚度相對(duì)于器件厚度的比值設(shè)定了上限A，其在原理上取決于具體的應(yīng)用。在計(jì)算中，我們假定電極是最佳的，橫截面積盡可能地大。對(duì)于直梁，電極的電阻由下給出RS=Lλσtwe]]>其中σ是電極的導(dǎo)電率，λ是驅(qū)動(dòng)信號(hào)波長(zhǎng)，t是梁的厚度，L是梁的長(zhǎng)度，we是其寬度。在單端口實(shí)例中，耦合電路的插入損失或者斷電/通電(power out/power in)的比值是ϵ1=α2(1+α)(1+α+RmλσtwL)]]>其中α=λσRLtwL.]]>對(duì)于具有大縱橫比L/t，α＜＜1的典型器件，耦合效率能夠近似為α2。
在雙端口實(shí)例中，耦合電路的插入損失為ϵ2=12α12(1-α1-0.75α)12]]>對(duì)于具有大縱橫比L/t，α＜＜1的典型器件，圓括號(hào)里的項(xiàng)可以忽略。因?yàn)榧纳娍馆^小，所以無(wú)論是否使用磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)，該結(jié)果定性地是有效的。然而，如果使用磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)，梁上存在兩個(gè)電極需要被減小一個(gè)大約 的因子。
耦合效率能夠根據(jù)直梁的厚度或者縱橫比加以表達(dá)ϵ2=0.496(σλ)12(ρE)12f014t14w12(1-α1-0.75α)12]]>其中α=0.99RLσλ(ρE)14f012t12w]]>w＝t時(shí)，ϵ2=0.507(σλ)12(Eρ)14(tL)32f0-12(1-α1-0.75α)12]]>w＝t時(shí)，α=1.03RLσλ(Eρ)12(tL)3f0-1]]>測(cè)量靈敏度磁勢(shì)探測(cè)的靈敏度受兩個(gè)電噪音源的限制探測(cè)電極自身的Johnson噪音和放大器輸入端處的噪音。探測(cè)電極的頻譜密度是SVJ=4kBTLeλσtwe]]>該表達(dá)式能夠根據(jù)直梁的厚度和縱橫比寫(xiě)成SVJ=2.01(kBTσλ)12(Eρ)18f0-14t-14w-12]]>w＝t時(shí)，SVJ=1.97(kBTσλ)12(ρE)14(Lt)32f012]]>綜合響應(yīng)度、耦合效率和電噪音源，我們獲得了在直雙鉗制梁上進(jìn)行雙端口測(cè)量的頻譜位移靈敏度SX(2)m=1.68σ12λ12B(ρE)18f0-34t-34w-12[kBT+SVαRL(1-0.75α1-α)]12]]>w＝t時(shí)，SX(2)m=1.71σ12λ12B(ρE)12(Lt)32w-12[kBT+SVαRL(1-0.75α1-α)]12]]>注意，當(dāng)梁具有恒定的縱橫比時(shí)，靈敏度獨(dú)立于梁的頻率。在前面的計(jì)算中，我們用電極的寬度代替了器件的寬度。這是假定只有一個(gè)電極，且器件被另一個(gè)裝置驅(qū)動(dòng)，或者在被動(dòng)測(cè)量中使用。如果同時(shí)使用磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)和探測(cè)，該計(jì)算在所有方面都相似，只是單個(gè)電極的近似寬度w必須用w/3代替。
與熱噪音比較機(jī)械傳感器測(cè)量最終的噪音基底(floor)是其本征熱振動(dòng)。相應(yīng)于機(jī)械傳感器熱振動(dòng)的位移噪音的頻譜密度具有Lorentzian線(xiàn)形狀，共振時(shí)的數(shù)值由下給出SX′=4kBTQξkω0]]>在直雙鉗制梁的特殊實(shí)例中，SX′=0.200(kBTQ)12E18ρ38t34f054w12]]>當(dāng)w＝t時(shí)，SX′=0.194E-12(Lt)32w-12f-12]]>對(duì)于雙端口探測(cè)技術(shù)，那么SX(2)MSX′=3.15ρ12(σλQ)12Bf012[1+SVαkBTRL(1-0.75α1-α)]12]]>由上面的表達(dá)式，探測(cè)熱機(jī)械振動(dòng)所需的放大器噪音的水平降低了大約I/f0，在小α的限制下，其獨(dú)立于其它的幾何因素。忽略α項(xiàng)，我們能夠解出獲得熱機(jī)械限制所需的放大器輸入噪音SVα=0.1kBTRLσλQB2ρf0]]>盡管其總體靈敏度被良好地按比例放縮到了高頻，但是磁勢(shì)探測(cè)的頻率范圍基本上受到必需測(cè)量電路的限制。在下面的部分中，我們將確定實(shí)際系統(tǒng)中的頻率限制。
數(shù)字實(shí)例輸入阻抗RL＝50Ω的典型低噪音RF放大器對(duì)于50Ω的源阻抗，具有的噪音數(shù)范圍為0.3dB-1.0dB。在本報(bào)告中說(shuō)明的雙端口探測(cè)電路中，放大器通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換觀察到為50Ω，因此噪音數(shù)(NF.)能夠由下面的方程轉(zhuǎn)換成功率譜密度SVα=(4kBTBL)10NF/10dB]]>這給出了通過(guò)50Ω的有效噪音電壓Sva，其同時(shí)包括放大器輸入端的電壓和電流。對(duì)于所引用的噪音數(shù)，放大器噪音電壓范圍為0.93nV/Hz-1.0nV/Hz,]]>假定放大器處于室溫。對(duì)于4K的低溫放大器，噪音水平下降到 考慮具有正方形橫截面的硅梁，其具有如下的電參數(shù)λ＝0.1，RL＝50Ω，σ＝1.6×107/Ω-m，處于B＝8T的磁場(chǎng)之下。雙端口探測(cè)靈敏度為SX(2)m=1.72×10-6f0-34t-34w-12[kBT+SVαRL(1-0.75α1-α)]12]]>SX(2)m=7.2×10-11f012(Lt)52[kBT+SVαRL(1-0.75α1-α)]12]]>其中α=850000f012t32]]>和α=7.0×1011(tL)3f0-1]]>該熱噪音是SXth=4.27×10-4(kBTQ)12f0-54t-54]]>SXth=5.01×10-9(kBTQ)12(Lt)52]]>圖41以雙端口磁勢(shì)探測(cè)技術(shù)的靈敏度作為頻率的函數(shù)的曲線(xiàn)圖概述了靈敏度的計(jì)算，比較了Q＝10000并具有不同厚度的直雙鉗制硅梁在8T磁場(chǎng)下測(cè)量的熱噪音。注意，能夠測(cè)量熱機(jī)械噪音的頻率只取決于電路的參數(shù)。
圖42是對(duì)于受熱機(jī)械噪音限制的磁勢(shì)靈敏度，50Ω放大器所需輸入噪音水平的曲線(xiàn)圖，其是電極導(dǎo)電率的函數(shù)。器件是直雙鉗制硅梁，在8T磁場(chǎng)下具有Q＝10000，其電極厚度是該結(jié)構(gòu)的1/10。根據(jù)先前為放大器輸入噪音得出的表達(dá)式，將磁勢(shì)技術(shù)延伸到GHz頻率范圍的最佳方法是增加探測(cè)電極的導(dǎo)電率。圖42的簡(jiǎn)圖顯示了該方法的有效性。
磁勢(shì)技術(shù)對(duì)于探測(cè)運(yùn)動(dòng)中的納米機(jī)械傳感器是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，其在高達(dá)甚至超過(guò)1GHz的頻率下能夠獲得高靈敏度，并且具有較大的線(xiàn)性動(dòng)力范圍。其有效性的物理原理是非?；A(chǔ)的，使得能夠直接分析測(cè)量信號(hào)。利用簡(jiǎn)單的讀出電路和標(biāo)準(zhǔn)RF放大器，磁勢(shì)探測(cè)能夠獲得在1GHz下工作的納米機(jī)械傳感器熱機(jī)械振動(dòng)靈敏度的極限。
用Si和GaAs膜制造NEMSSi和GaAs膜能夠用體微機(jī)械加工技術(shù)制造。在兩種情況下，使用各向異性選擇性腐蝕劑的后側(cè)處理(backside-processing)制造了各種寬度和尺寸的懸置膜片，其能夠被進(jìn)一步微機(jī)械加工成寬器件陣列。盡管每種處理的基本方法相同，但是兩種材料的不同晶象本質(zhì)要求兩種迥異的處理過(guò)程。
Si膜制造由于大的表面-體積比，自從上世紀(jì)80年代表面微機(jī)械加工出現(xiàn)以來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的靜摩擦便成為主要的失效模式。當(dāng)器件按比例縮小到納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)時(shí)，靜摩擦在制造處理期間造成了更大的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。通過(guò)將NEMS器件繪圖在預(yù)先限定的膜片內(nèi)，懸臂納米結(jié)構(gòu)不再非常接近襯底。在干燥期間，相關(guān)靜摩擦的釋放是可以被有效防止的。從而獲得更高的NEMS器件生產(chǎn)率。
膜襯底也利于高分辨率光蝕刻，因?yàn)閳D形曝光期間襯底中的背散射被大大降低。我們已經(jīng)證實(shí)，通過(guò)電子束光蝕刻能夠容易地限定納米級(jí)圖形。
圖43a-43d概述了Si膜的處理過(guò)程。膜制造開(kāi)始于一種材料，其包括硅外延層104和鍵合于Si襯底108的0.4μm厚注入SiO2層106，如圖43a所示。使用高度各向異性KOH濕腐蝕從樣品背部除去體Si襯底108的110區(qū)域。KOH的選擇性腐蝕特性允許SiO2作為腐蝕停止層，這確保了光滑的背部和良好限定且均勻的膜厚度。
硅的各向異性腐蝕KOH精確地沿著形成錐形腐蝕窗110的晶面腐蝕Si，該腐蝕窗110形成125°的側(cè)壁角(sidewall angle)，如圖43b所示。掩模的底切(undercut)對(duì)于我們的目的而言可以忽略。該精確的各向異性允許非常容易地構(gòu)建任意尺寸的膜。掩模由一系列正方形構(gòu)成，這些正方形具有合適的尺寸，并被沿著開(kāi)裂面的線(xiàn)分離從而便于大量的樣品處理和一旦處理結(jié)束之后能夠容易地切割成單獨(dú)的單元片(die)。
膜制造由于KOH腐蝕的侵入本質(zhì)，使用低應(yīng)力的(富硅的)Si3N4作為掩模。晶片的兩側(cè)均通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)涂覆600_的Si3N4，生成用于Si外延層104的無(wú)針孔保護(hù)層，和背部的掩模層114。掩模112通過(guò)光蝕刻和隨后在電子回旋加速共振(ECR)系統(tǒng)中腐蝕限制在氮化物內(nèi)，其中該腐蝕使用10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)的Ar和20sccm的NF3的混合物進(jìn)行2分鐘。在腐蝕之前應(yīng)當(dāng)在外延層背部旋涂(spin)保護(hù)性光刻膠層(未顯示)，從而確保氮化硅涂層112不被損壞。
體Si腐蝕的執(zhí)行優(yōu)選地在30％KOH溶液中，保持在80℃下，并且在腐蝕前新鮮混合。該體積比產(chǎn)生了接近1.4μm/min的最大腐蝕速度，在到達(dá)SiO2層106之前需要略多于6小時(shí)的腐蝕時(shí)間。KOH以～8_/min的速度腐蝕SiO2，要預(yù)留足夠的時(shí)間以便在對(duì)Si外延層104造成任何損傷之前停止腐蝕。
在10％HF溶液中除去SiO2犧牲層106，腐蝕速度為～340_/min，如圖43c所示。SiO2層106的底切在兩個(gè)方向拓寬膜的尺寸不超過(guò)4μm。稀釋HF以～3_/min的速度腐蝕Si3N4，在12min的腐蝕時(shí)間內(nèi)只除去～38_的掩模112。
然后在160℃的85％H3PO4浴內(nèi)保持6分鐘除去殘余的Si3N4層112，如圖43d所示。SiO2和Si在H3PO4中的腐蝕速度對(duì)于我們的目的而言可以忽略，盡管當(dāng)腐蝕時(shí)間大于30分鐘時(shí)觀察到在Si層104上有一些損傷。
在腐蝕處理期間，溶液中小百分率的金屬雜質(zhì)有可能通過(guò)電化學(xué)位移鍍反應(yīng)沉積在下面的裸Si表面104上。這能夠通過(guò)添加與溶液的重量比為5％的HCl作為螯合劑加以避免，而腐蝕特性不受影響。還應(yīng)當(dāng)注意，隨著溶液蒸發(fā)，腐蝕速度顯著變慢。出于這個(gè)原因，在達(dá)到合適的溫度保證結(jié)果穩(wěn)定之后，應(yīng)當(dāng)立即執(zhí)行該處理。
GaAs膜制造圖44a-44d的側(cè)剖視圖顯示了用于制造GaAs膜的處理過(guò)程。處理從由體GaAs襯底116構(gòu)成的材料開(kāi)始，頂部是三個(gè)電子束外延(MBE)生長(zhǎng)層600nmGaAs緩沖層118，1μmAl0.8Ga0.2As腐蝕停止層120，和獲得期望最終膜厚度所需的適當(dāng)GaAs外延層122，如圖44a所示。試驗(yàn)了兩種各向異性選擇性腐蝕劑NH4OH∶H2O2溶液和檸檬酸∶H2O2溶液。每種腐蝕劑都具有其自己的特征腐蝕輪廓(profile)，每種的優(yōu)點(diǎn)也相應(yīng)改變。
腐蝕各向異性GaAs的各向異性腐蝕相對(duì)于先前說(shuō)明的硅處理要復(fù)雜一些，即腐蝕輪廓在兩個(gè)主要的晶面上不同以及使用的腐蝕劑不同。NH4OH溶液產(chǎn)生了沿著腐蝕壁和底板的良好限制的光滑表面，如圖45a的顯微圖象所示，而檸檬酸均勻地腐蝕所有的表面，如圖46a的顯微圖象所示。兩種腐蝕劑的底切比限制了最終的膜尺寸能夠有多么小，需要比商業(yè)上提供的更薄的襯底以便制造具有合理尺寸的膜。底切比能夠定義為橫向腐蝕速度對(duì)垂直腐蝕速度的比。襯底116能夠被減薄到100μm，低于它會(huì)使樣品非常脆，容易破裂或者碎裂，從而不可能在后續(xù)處理步驟中保存下來(lái)。因?yàn)槟さ那皞?cè)被保護(hù)，如在下面的處理步驟中說(shuō)明的，因此有可能通過(guò)在減薄襯底和處理膜之前在前表面上制造期望的器件，避免由于襯底厚度導(dǎo)致的脆性問(wèn)題。這需要紅外線(xiàn)掩模準(zhǔn)直儀以便在腐蝕之前使器件與膜圖形對(duì)準(zhǔn)。
NH4OH∶H2O2溶液的腐蝕速度沿著不同晶面改變，取決于腐蝕產(chǎn)物的體積比。出于最大選性選擇的1∶30溶液在(010)面內(nèi)產(chǎn)生了～130°的鈍側(cè)壁角，在(011)面內(nèi)產(chǎn)生了～60°的銳側(cè)壁角，如圖44b所示。此外，還出現(xiàn)了明顯的底切，兩個(gè)晶面都具有平均～0.5的底切比。這使掩模窗尺寸在每一微米腐蝕深度上拓寬了～1平方微米。對(duì)于100μm的最初襯底厚度，上述特性的組合將沿著(011)面的尺寸限制在～200μm的最小值。
檸檬酸在GaAs上的各向異性腐蝕特性與NH4OH有一些不同。對(duì)于3∶1的體積比，其在[110]方向上也產(chǎn)生了～130°的側(cè)壁角，但在
方向上產(chǎn)生了90°的有效角，如圖46b的顯微圖象所示。[110]和
平面的底切比分別為1.2μm和1.5μm。對(duì)于100μm的最初襯底厚度，這兩個(gè)特性的組合將
方向上的尺寸限制減低到了大約150μm。
在隨后的器件限制需要更小的膜尺寸的實(shí)例中，檸檬酸溶液比NH4OH溶液更優(yōu)選。然而，在目前的條件下，在經(jīng)過(guò)大約100μm的深度之后，腐蝕速度接近零。這需要襯底盡可能減薄，結(jié)果產(chǎn)生難以處理的脆樣品。因?yàn)镹H4OH腐蝕劑能夠均勻地腐蝕透過(guò)大于600μm的厚度，產(chǎn)生良好限制的和可復(fù)制的膜尺寸，所以目前，在更大的膜尺寸是可以容忍的情況下，該溶液是優(yōu)選的。進(jìn)一步的檸檬酸體積比與溫度條件實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)，該溶液在后期更加有用。
膜制造襯底減薄兩種腐蝕方法的樣品制備處理相同。膜制造開(kāi)始于通過(guò)用體積比1∶8∶1的快速各向異性H2SO4∶H2O2∶H2O濕腐蝕劑將GaAs襯底116減薄到300-100μm的厚度。該腐蝕以大約5μm/min的速度進(jìn)行，并產(chǎn)生對(duì)我們的目的而言相當(dāng)光滑且足夠均勻的背表面。制備了側(cè)面為幾毫米的材料片，其將在后面被切割成更小的樣品用于單個(gè)膜處理。
在對(duì)玻璃蓋片(coverslip)下面的材料表面涂蠟之前，在前側(cè)旋涂光刻膠層124以保護(hù)外延層120。使用AZ4330光刻膠，并且應(yīng)當(dāng)注意不要將樣品和蠟加熱到130℃以上，因?yàn)檫@會(huì)使光刻膠在后面的處理中極難除去。一旦蠟被硬化，就能夠使用有丙酮的小棉簽從襯底116背部輕輕除去殘留的光刻膠。
應(yīng)當(dāng)注意，腐蝕速度對(duì)溫度非常敏感。因?yàn)楫?dāng)混合腐蝕劑成分時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些熱量，所以在浸沒(méi)樣品之前要將溶液放置一個(gè)小時(shí)使其返回到室溫。同樣由于溫度敏感性，正常的室溫波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的腐蝕速度，最多變化20％。因?yàn)榉磸?fù)從溶液中除去樣品以確定厚度會(huì)產(chǎn)生明顯不同的腐蝕次數(shù)和后續(xù)腐蝕速度，因此一個(gè)垂直測(cè)微計(jì)(vertical micrometer)為獲得精確設(shè)計(jì)的材料厚度是有用的。一旦達(dá)到該厚度，便在DI水中徹底清洗樣品，并放置在丙酮中溶解蠟。
腐蝕方法一旦除去蠟，便在前面再次旋涂用于保護(hù)的光刻膠。然后在掩模準(zhǔn)直器中使背部泛光曝光(flood exposed)和顯影以除去殘余光刻膠。AZ4330光刻膠126以2750rpm旋涂在背部，并在95℃下烘烤1分鐘，產(chǎn)生大約5μm后的光刻膠層。然后相對(duì)于合適的晶面限制相應(yīng)于最終膜尺寸的腐蝕掩模。圖形顯影之后，在115℃下后烘烤2分鐘，同時(shí)對(duì)玻璃顯微鏡滑片(microscope slide)下面的樣品外延層側(cè)面進(jìn)行涂蠟。
所用的NH4OH溶液包括最大選擇(～100)體積比為1∶30的NH4OH和H2O2，并且在腐蝕前新鮮配置。反應(yīng)受擴(kuò)散速度限制，將溶液噴到樣品上用于循環(huán)和混合溶液，并且機(jī)械地除去腐蝕產(chǎn)物。應(yīng)當(dāng)注意，使用特氟綸樣品固定器對(duì)于保證最大的選擇性是重要的。當(dāng)?shù)竭_(dá)AlGaAs犧牲層時(shí)，透過(guò)上面兩層看，腐蝕窗變得透明并且呈橘色。腐蝕允許持續(xù)～30秒以保證完全除去下面的GaAs層，并在DI水中完全沖洗樣品以保證除去所有的腐蝕產(chǎn)物。
先前提到的檸檬酸溶液也能夠用于除去體襯底。這受反應(yīng)速度限制，因此用作簡(jiǎn)單浴液。一水合檸檬酸提前一天與DI水按重量1∶1混合以保證完全溶解。然后該溶液與H2O2按3∶1的體積比混合，并允許放置大約20分鐘以便返回到室溫。樣品浸沒(méi)在浴中直到看到透明窗口(對(duì)于被減薄到100μm的初始襯底為恰多于6小時(shí))，然后進(jìn)行完全沖洗。
這樣，同樣在樣品仍然附著于玻璃片時(shí)，使樣品在20％HF中浸沒(méi)1分15秒除去AlGaAs層，AlGaAs對(duì)GaAs的選擇性大于107，如圖44c所示。在完全除去AlGaAs層之后，在膜周?chē)軌蛉庋劭吹綍灜h(huán)(faint ring)，表明犧牲層存在底切。為了完成該處理，樣品放置在丙酮中過(guò)夜以溶解蠟，轉(zhuǎn)移到異丙基乙醇中，輕柔地吹干產(chǎn)生圖44d的結(jié)構(gòu)。
這里提出了一種處理，其通過(guò)體微機(jī)械加工方法由硅和鎵砷化物制造膜片機(jī)構(gòu)。兩種處理都利用選擇性腐蝕各向異性腐蝕系統(tǒng)。對(duì)于Si系統(tǒng)，其特征是良好限制的KOH腐蝕劑，其對(duì)Si比對(duì)SiO2更有選擇性。對(duì)于GaAs系統(tǒng)，其特點(diǎn)是NH4OH和檸檬酸溶液，它們對(duì)GaAs比對(duì)AlGaAs更有選擇性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重復(fù)性和耐久性而言?xún)?yōu)選的腐蝕劑是NH4OH，除非將來(lái)的器件限制需要小于150μm的膜尺寸。
NEMS陣列標(biāo)量分析器/相關(guān)器圖47圖解了NEMS陣列頻譜分析器128的基本概念。在該概念中，“共振簧片”的類(lèi)似物是壓阻NEMS懸臂，如圖47所示。形成陣列128的元件130的長(zhǎng)度是交錯(cuò)的(這里表示為L(zhǎng)i，...，Lk)，這產(chǎn)生了覆蓋期望預(yù)編制頻譜范圍的整體共振響應(yīng)。這里，圖中每一個(gè)元件130都被分別地驅(qū)動(dòng)和感測(cè)，但是所有元件都分享一個(gè)共同的地電極132。值得注意的是，可能實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單的讀出器。本圖中的信號(hào)通過(guò)具有局部截線(xiàn)(local stub)136的共用傳輸線(xiàn)134傳遞，以便在每個(gè)元件130處提供靜電激勵(lì)。注意，圖47中驅(qū)動(dòng)電極138與懸臂尖端140之間的厚度差的不同為誘發(fā)該方向上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供了必需的異面電場(chǎng)。
圖47代表了用單獨(dú)、非耦合元件提供功能性的實(shí)際情況。在機(jī)械元件的耦合陣列中還可能具有集合機(jī)械模式。這為廣泛類(lèi)型的光機(jī)電陣列頻譜分析器作好了準(zhǔn)備。該家族的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例如圖48所示意性顯示的，其中多個(gè)如圖48a所示的集成的或者陣列的且相互作用的梁或者懸臂210布置在兩個(gè)相對(duì)的T框212之間。這里，傅立葉分量存在于電信號(hào)波形中，表示為v(t)，參量地驅(qū)動(dòng)陣列的集合模式。該運(yùn)動(dòng)依次調(diào)制光的衍射等級(jí)強(qiáng)度，該光來(lái)自通過(guò)光纖216耦合于器件10的激光器214，由準(zhǔn)直儀218校準(zhǔn)并且發(fā)送通過(guò)陣列128，該陣列128本質(zhì)上是隨時(shí)間改變的光衍射柵。這些命令能夠被連續(xù)讀出，因此能夠?qū)斎攵?20處的電波形v(t)提供實(shí)時(shí)頻譜分析。
NEMS陣列化學(xué)/生物傳感器兩個(gè)研究組開(kāi)創(chuàng)了基于NEMS的電機(jī)械“鼻”器件。這些努力主要致力于氣體分析物和液體分析物的感測(cè)。有兩種工作模式，它們產(chǎn)生于相互作用的兩種不同物理機(jī)制。第一個(gè)模式是兩個(gè)組最近工作的基礎(chǔ)，其是對(duì)基于懸臂與覆蓋層差分應(yīng)變的感應(yīng)，其中覆蓋層暴露于分析物時(shí)會(huì)膨脹或收縮。如果覆蓋層只覆蓋懸臂的一個(gè)表面，則覆蓋層的膨脹或收縮導(dǎo)致彎曲，其隨后被光學(xué)的探測(cè)。
感測(cè)的第二個(gè)模式是根據(jù)質(zhì)量負(fù)載和傳感器總體內(nèi)在質(zhì)量的最終改變，其能夠被探測(cè)作為共振頻率偏移。
對(duì)于將這些思想按比例縮小到NEMS陣列的范疇存在明顯而強(qiáng)制的理由。最明顯的是，隨著NEMS元件的質(zhì)量更小以及得自于納米級(jí)機(jī)械元件的應(yīng)變靈敏度、質(zhì)量靈敏度、一致性和工作頻率的進(jìn)一步改進(jìn)，“電機(jī)械鼻”的靈敏度能夠極大地提高。其具體實(shí)例由我們最近對(duì)超靈敏NEMS質(zhì)量感測(cè)的工作給出。
圖49圖解了NEMS陣列電子鼻的概念。分別轉(zhuǎn)換的壓阻懸臂144陣列內(nèi)的每個(gè)元件142是安裝有膜的表面，該膜為特殊靶分析物提供靈敏度。在該概念中，相鄰靜電驅(qū)動(dòng)電極146允許分別地激勵(lì)化學(xué)功能化元件。這需要單獨(dú)地連接每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。
尋址每個(gè)元件142的另一個(gè)裝置如圖50所示；如果懸臂144被計(jì)成具有如圖50所示的交錯(cuò)長(zhǎng)度，則其采用一個(gè)單一的傳輸線(xiàn)130和一個(gè)在頻域內(nèi)產(chǎn)生可尋址性的掃描信號(hào)。
NEMS陣列紅外探測(cè)器/成象器在圖解實(shí)施例中，IR成象器是基于NEMS陣列128。尺寸的明顯降低在靈敏度和響應(yīng)時(shí)間上提供了極大的好處。一種可能的器件布局如圖50所示。這里，通過(guò)IR吸附器(？)長(zhǎng)度上光蝕刻圖形的變化使單個(gè)元件的共振頻率交錯(cuò)。應(yīng)變誘發(fā)彎曲的AC讀出被探測(cè)作為頻率偏移，應(yīng)變誘發(fā)彎曲來(lái)自于“吸附器”的IR吸附。該偏移是每個(gè)元件共振頻率的直接結(jié)果，每個(gè)元件的共振頻率取決于它們的平均位置。除了RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)自身之外，該位置依賴(lài)性產(chǎn)生于施加給每個(gè)元件驅(qū)動(dòng)電極的靜DC電壓。該DC電壓偏置轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€(gè)懸臂電位能的靜電項(xiàng)，導(dǎo)致位置依賴(lài)的共振頻率。在該特殊的概念中，我們還設(shè)想了通過(guò)步進(jìn)頻率激勵(lì)各個(gè)共振元件快速地詢(xún)問(wèn)大量的陣列元件。這允許通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)進(jìn)行單獨(dú)尋址。通過(guò)將壓阻器AC耦合于共用讀出傳輸線(xiàn)，以相似的方式構(gòu)想頻率復(fù)用讀出是非常合理的。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠進(jìn)行許多的改造和修改，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，必須理解，例證性實(shí)施例只是出于舉例的目的加以提出，不可認(rèn)為是本發(fā)明的限制，本發(fā)明由后面的權(quán)利要求限制。例如，盡管事實(shí)上，權(quán)利要求的元件在下面以某種組合加以提出，但必須非常清楚，本發(fā)明包括其他具有更少、更多或者不同元件的組合，這些元件在上面已經(jīng)公開(kāi)，即使在最初的權(quán)利要求中不是處于這種組合。
本說(shuō)明書(shū)使用的用于描述本發(fā)明及其各種實(shí)施例的文字不僅要理解為其通常限定的意義，而且包括超過(guò)了其通常定義的指定結(jié)構(gòu)、材料或者行為。因此，如果一個(gè)元件在本說(shuō)明書(shū)的上下文中能夠理解為包括超過(guò)一個(gè)裝置，那么其在權(quán)利要求中使用必須理解為普遍適用于所有被專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)以及單詞本身支持的可能含義。
因此，后面權(quán)利要求中的單詞和元件的定義在本說(shuō)明書(shū)中的定義，不僅包括文字上提出的元件的組合，而且包括所有以基本上相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能以獲得基本上相同的結(jié)果的等價(jià)結(jié)構(gòu)、材料或者行為。因此在這方面可以預(yù)期，下面權(quán)利要求中的任何一個(gè)元件都可以認(rèn)為是兩個(gè)或者多個(gè)元件的等價(jià)替換，或者一個(gè)單獨(dú)的元件可以替換權(quán)利要求中的兩個(gè)或者多個(gè)元件。盡管上面可能把元件描述為某些組合的代表，甚至最初的權(quán)利要求也是如此，但是應(yīng)當(dāng)清楚地理解，權(quán)利要求組合中的一個(gè)或多個(gè)元件在某些情況下能夠被排除在組合之外，且權(quán)利要求的組合可以變成子組合或者子組合的變型。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從權(quán)利要求的對(duì)象中看出的非實(shí)質(zhì)的改變，無(wú)論是現(xiàn)在已知的還是以后想出的，都顯然是權(quán)利要求范圍內(nèi)的等價(jià)物。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在現(xiàn)在或者在將來(lái)已知的明顯替代品包含在本定義元件的范圍內(nèi)。
因此，權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)理解為包括特別舉出并在上面說(shuō)明的，在概念上是等價(jià)的，能夠明顯替代的，以及基本上引用本發(fā)明的基本思想的事物。
權(quán)利要求
1.一種單光刻制造的裝置，包括一個(gè)亞微米寬度的雙鉗制懸臂梁，具有在梁內(nèi)或者梁上制造的不對(duì)稱(chēng)布置的機(jī)電轉(zhuǎn)換層；至少一個(gè)側(cè)驅(qū)動(dòng)?xùn)牛挥诹旱膩單⒚拙嚯x附近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中不對(duì)稱(chēng)布置的機(jī)電轉(zhuǎn)換層包含梁內(nèi)不對(duì)稱(chēng)布置的壓電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中梁由2DEG異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中梁具有電接觸，并形成具有輸出端口的雙端口電路，并且進(jìn)一步包括一個(gè)與梁并聯(lián)的感應(yīng)器和一個(gè)與梁的輸出端耦合的阻塞電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，進(jìn)一步包括與阻塞電容器耦合的低噪音低溫放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中柵具有柵偶極子電荷分離，且其中梁具有梁偶極子電荷分離，梁和柵通過(guò)偶極子-偶極子相互作用而相互作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括用于將梁保持在低溫的低溫裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中側(cè)柵包括一個(gè)2DEG層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中梁和側(cè)柵包括一個(gè)芯片，并進(jìn)一步包括一個(gè)在上面布置該芯片的基片，該基片上面形成一個(gè)電極，其中柵在基片電極與柵之間具有柵偶極子電荷分離，并且其中梁具有梁偶極子電荷分離，梁和柵通過(guò)偶極子-偶極子相互作用而相互作用。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中梁和柵由不對(duì)稱(chēng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊制造而成，該不對(duì)稱(chēng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊包括一個(gè)2DEG GaAs壓電層；兩個(gè)位于GaAs層每一側(cè)面上的三明治式AlGaAs隔離層；分別位于AlGaAs隔離層的上面和下面的第一和第二AlGaAs:Si施主層；分別位于AlGaAs:Si施主層的上面和下面的兩個(gè)GaAs帽層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中2DEG GaAs壓電層下面的每個(gè)層比2DEG GaAs壓電層上面的相應(yīng)層厚。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)位于堆疊下面的AlxGa1-xAs犧牲層，和一個(gè)位于AlxGa1-xAs犧牲層下面的基片，其中0＜x＜1。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中柵具有柵偶極子電荷分離，且其中梁具有梁偶極子電荷分離，梁和柵通過(guò)偶極子-偶極子相互作用而相互作用。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，進(jìn)一步包括兩個(gè)柵，其每一個(gè)都位于梁的亞微米距離內(nèi)，且每一個(gè)都具有柵偶極子電荷分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)向梁提供感測(cè)電流的源和一個(gè)與梁電連接產(chǎn)生輸出信號(hào)的放大器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中放大器是低溫的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中感測(cè)電流源向梁提供DC和AC感測(cè)電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中梁的轉(zhuǎn)換層是壓電的，用于誘發(fā)梁的振動(dòng)，同時(shí)也是壓阻的，用于感測(cè)梁的振動(dòng)。
19.一種用于形成懸臂NEMS梁的方法的改進(jìn)，該懸臂梁包括一個(gè)二維電子氣層，該改進(jìn)包括提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊，其包括一個(gè)位于犧牲層上的2DEG層；在堆疊上選擇性布置掩模，從而為NEMS梁確定圖形；用Cl2/He等離子體腐蝕干腐蝕掉該堆疊的暴露部分，從而確定NEMS梁而基本上不改變2DEG層的電性質(zhì)；和腐蝕掉犧牲層釋放NEMS梁。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中用Cl2/He等離子體腐蝕干腐蝕掉堆疊的暴露部分包括以1∶9的流速比向ECR等離子體室提供Cl2和He氣體。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中將Cl2和He氣提供到ECR等離子體室進(jìn)一步包括用20W的恒定RF功率將堆疊保持在150V或者更低的自偏壓下，并以大約300W或者更高的微波功率使Cl2和He氣離子化。
22.一種NEMS參數(shù)放大器，包括一個(gè)懸臂振蕩亞微米信號(hào)梁，其被限制在一個(gè)平面內(nèi)，其對(duì)共面運(yùn)動(dòng)具有撓性的彈簧常數(shù)，并且以ω或者以接近信號(hào)梁機(jī)械共振的頻率加以驅(qū)動(dòng)；一對(duì)泵梁，其與信號(hào)梁耦合并以或者以接近2ω加以驅(qū)動(dòng)；一個(gè)磁場(chǎng)源，其施加的場(chǎng)至少有一個(gè)分量垂直于信號(hào)梁和泵梁對(duì)；和一個(gè)在電路中與泵梁電耦合的交流電源，從而在磁場(chǎng)的存在下施加一個(gè)通過(guò)泵梁的電流，從而在泵梁上產(chǎn)生一個(gè)被調(diào)制的洛倫茲力，其進(jìn)而向信號(hào)梁施加一個(gè)壓力和張力振蕩的力以擾動(dòng)信號(hào)梁的共面運(yùn)動(dòng)的撓性彈簧常數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)耦合于梁的放大器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中泵梁和信號(hào)梁在平面內(nèi)共同形成一個(gè)H形結(jié)構(gòu)，信號(hào)梁形成H形結(jié)構(gòu)的中間部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中泵梁被調(diào)諧在以2ω共振。
26.一種操作NEMS參數(shù)放大器的方法，包括提供至少有一個(gè)分量垂直于泵梁對(duì)的磁場(chǎng)；在磁場(chǎng)的存在下，向泵梁施加頻率為或者接近2ω的交流電流從而在耦合于泵梁的信號(hào)梁上產(chǎn)生一個(gè)被調(diào)制的壓力和張力洛倫茲力，以便擾動(dòng)信號(hào)梁針對(duì)共面運(yùn)動(dòng)的撓性彈簧常數(shù)；響應(yīng)被驅(qū)動(dòng)的泵梁以ω的頻率振蕩信號(hào)梁，該ω正好是或者接近信號(hào)梁的機(jī)械共振頻率；和感測(cè)信號(hào)梁的振蕩。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括將泵梁調(diào)諧到2ω的頻率。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中泵梁相對(duì)于信號(hào)梁的振蕩以反四分之一相驅(qū)動(dòng)。
29.一種亞微米懸臂，其特征是亞微米位移，包括一個(gè)具有限制部分的NEMS懸臂；一個(gè)耦合于懸臂的壓阻應(yīng)變傳感器外延層(epilayer)；其中G是裝置的量規(guī)因數(shù)，由下給出G=3βπlk(2l-l1)2bt2RT]]>其中，參數(shù)πL是壓阻轉(zhuǎn)換材料的壓阻系數(shù)，因子β表征由于傳導(dǎo)層的有限厚度導(dǎo)致的G降低，K是懸臂的彈簧常數(shù)，l是懸臂的全長(zhǎng)，l1是限制部分的長(zhǎng)度，b是限制部分的厚度，t是限制部分的厚度的厚度，而RT是傳感器的雙端電阻。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的懸臂，其中熱機(jī)械振動(dòng)的接近共振的力譜密度由下給出SFγ=4kBTγ=4KkBT/(2πQf0)]]>其中kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度，γ是阻尼系數(shù)，f0是共振頻率和Q＝mf0/γ是質(zhì)量因子，m是懸臂的質(zhì)量。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的懸臂，其中熱機(jī)械振動(dòng)的接近共振的電壓譜密度由下給出SVγ=SFγG2l216π2m2f02[4-(f-f0)2+f02/Q]]>其中f是懸臂的振蕩頻率。
32.一種用于按比例縮放和探測(cè)NEMS器件中載流子分布的方法，該NEMS器件具有位于本征層上的摻雜層，該摻雜層具有不同的摻雜濃度和不同的厚度，該方法包括提供具有預(yù)定厚度的摻雜層；在摻雜層中提供一定的摻雜濃度；通過(guò)滿(mǎn)足如下的條件調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)直到電中性∫0e(ρ(x)/e+NA-(x))dx=0]]>其中 是離子化受體點(diǎn)的密度，其中P是由費(fèi)米統(tǒng)計(jì)給出的載流子體積密度，ρ(x)＝e(p(x)-n(x))，而正和負(fù)載流子密度是p(x)＝1.04×1025e-β(EF-EV)/m3n(x)＝2.8×1025e-β(EC-EF)/m3其中，β是1/kT，EF是費(fèi)米能級(jí)，Ev是價(jià)帶能，而EC是導(dǎo)帶能；根據(jù)如下的公式確定價(jià)帶的彎曲d2EVdz2=eρ(x)ϵ]]>其中Ev是價(jià)帶能，ε是介電常數(shù)，e是電子電荷，邊界條件為d2EVdz2|z=0=eσϵ]]>其中σ是經(jīng)驗(yàn)表面載流子濃度；迭代重復(fù)前述的調(diào)節(jié)和確定步驟直到獲得載流子密度ρ的收斂。
33.一種橋電路，包括激勵(lì)信號(hào)源；功率分配器，其與源耦合從而產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的兩個(gè)異相分量；第一激勵(lì)部分，其耦合于功率分配器；第二激勵(lì)部分，其耦合于功率分配器；第一電路臂，其耦合于第一激勵(lì)部分，包括具有轉(zhuǎn)換電輸出的第一NEMS共振梁；第二電路臂，其耦合于第二激勵(lì)部分，包括具有轉(zhuǎn)換電輸出的第二NEMS共振梁，該第一和第二梁彼此相匹配；和探測(cè)部分，其耦合于DC耦合電阻Re和NEMS共振梁。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的橋，進(jìn)一步包括一個(gè)可變衰減器和一個(gè)移相器，它們耦合在與第一和第二電路臂相對(duì)的一個(gè)中，有衰減器比沒(méi)有衰減器能夠更精確地平衡第一和第二電路臂之間的阻抗失配，而移相器補(bǔ)償由于引入衰減器導(dǎo)致的相失衡。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的橋，其中NEMS共振梁包括一個(gè)用于吸附試驗(yàn)材料的表面，其中NEMS共振梁的性能受到試驗(yàn)材料的影響并由橋加以測(cè)量。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的橋，進(jìn)一步包括一個(gè)放大器和一個(gè)耦合于放大器探測(cè)部分的輸出阻抗失配電路。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的橋，其中第一和第二NEMS共振梁是磁勢(shì)NEMS共振梁并且沒(méi)有金屬化。
38.一種用于平衡橋電路兩個(gè)NEMS器件的輸出的方法，包括提供激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)異相分量；向具有第一轉(zhuǎn)換電輸出的第一NEMS共振梁提供其中一個(gè)異相分量；向具有第二轉(zhuǎn)換電輸出的第二NEMS共振梁提供另一個(gè)異相分量，該第一和第二梁彼此相互匹配；和加和第一和第二轉(zhuǎn)換電輸出以產(chǎn)生平衡探測(cè)輸出信號(hào)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括可變地衰減第一和第二NEMS共振梁其中一個(gè)的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，向第一和第二NEMS共振梁的另一個(gè)提供驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)的補(bǔ)償相移，從而與沒(méi)有衰減或者沒(méi)有對(duì)由于衰減產(chǎn)生的相失衡進(jìn)行相移補(bǔ)償相比，更精確地平衡第一和第二NEMS共振梁之間輸出阻抗的失配。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括將試驗(yàn)材料吸附在NEMS共振梁的表面從而改變NEMS共振梁的性能，和測(cè)量平衡探測(cè)輸出信號(hào)中性能的改變。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括在放大器中放大平衡探測(cè)輸出信號(hào)，和對(duì)探測(cè)部分的輸出進(jìn)行阻抗匹配，其中放大器向探測(cè)部分提供平衡探測(cè)輸出信號(hào)。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括提供一個(gè)磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中暴露第一和第二NEMS共振梁；用磁勢(shì)力驅(qū)動(dòng)第一和第二NEMS共振梁，而不對(duì)第一和第二NEMS共振梁進(jìn)行金屬化。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括位于其中一個(gè)NEMS共振梁上的吸附表面，其中吸附表面上被吸附物的吸附由平衡探測(cè)輸出信號(hào)指示。
44.一種設(shè)備，包括驅(qū)動(dòng)源；功率分配器，其耦合于驅(qū)動(dòng)源從而產(chǎn)生反相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第一磁勢(shì)NEMS共振梁，其耦合于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一個(gè)相，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)由功率分配器產(chǎn)生；第二磁勢(shì)NEMS共振梁，其偶合于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的另一個(gè)反相的相，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)由功率分配器產(chǎn)生；一個(gè)接線(xiàn)端，其與兩個(gè)磁勢(shì)NEMS共振梁電耦合；一個(gè)放大器，其與接線(xiàn)端耦合；和一個(gè)與放大器耦合的裝置，該裝置用于測(cè)量該設(shè)備正向傳輸系數(shù)S21的頻率依賴(lài)性。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，其中第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁由SiC構(gòu)成。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，其中第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁進(jìn)行共面共振。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，其中第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁進(jìn)行異面共振。
48.根據(jù)權(quán)利要求44的設(shè)備，進(jìn)一步包括位于一個(gè)NEMS共振梁上的吸附表面，其中吸附表面上吸附物的吸附通過(guò)測(cè)量裝置加以測(cè)量。
49.一種方法，包括提供激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；將激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)異相分量；向具有第一轉(zhuǎn)換電輸出的第一NEMS共振梁提供其中一個(gè)異相分量；向具有第二轉(zhuǎn)換電輸出的第二NEMS共振梁提供另一個(gè)異相分量，該第一和第二梁彼此相匹配；振動(dòng)第一和第二NEMS共振梁；加和第一和第二轉(zhuǎn)換電輸出從而產(chǎn)生平衡探測(cè)輸出信號(hào)；在放大器中放大平衡探測(cè)輸出信號(hào)；和測(cè)量正向傳輸系數(shù)S21的頻率依賴(lài)性。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其中振動(dòng)第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁包括使梁進(jìn)行共面共振。
51.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其中振動(dòng)第一和第二磁勢(shì)NEMS共振梁包括使梁進(jìn)行異面共振。
52.磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)亞微米NEMS共振梁的一種改進(jìn)，包括一個(gè)亞微米SiC NEMS梁，其具有表面、軸長(zhǎng)度L、寬度W、楊氏模量E、質(zhì)量密度ρ和位移幅度A；一個(gè)磁場(chǎng)源B；一個(gè)布置在梁表面上的電極裝置，用于沿著梁的軸向長(zhǎng)度的至少一部分傳導(dǎo)電流；一個(gè)耦合于電極裝置第一末端的交流電源，其磁勢(shì)驅(qū)動(dòng)SiCNEMS梁到共振頻率f0=EρWL2;]]>和一個(gè)耦合于電極裝置第二末端的探測(cè)器，以探測(cè)從SiC NMES梁產(chǎn)生的Vemf，Vemf∝BAEρWL.]]>
53.根據(jù)權(quán)利要求52的改進(jìn)，其中電極裝置包括一個(gè)單電極，其耦合于交流電源用于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中的梁，并耦合于探測(cè)器用于感測(cè)由梁的運(yùn)動(dòng)在電極中產(chǎn)生的EMF。
54.根據(jù)權(quán)利要求52的改進(jìn)，其中電極裝置包括一個(gè)耦合于交流電源的第一電極用于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中的梁，和一個(gè)耦合于探測(cè)器的第二電極用于感測(cè)由梁的運(yùn)動(dòng)在電極中產(chǎn)生的EMF。
55.根據(jù)權(quán)利要求52的改進(jìn)，其中SiC NEMS梁的尺寸和參數(shù)在UHF范圍和更高的范圍內(nèi)提供基波共振頻率。
56.根據(jù)權(quán)利要求52的改進(jìn)，其中SiC NEMS梁的尺寸和參數(shù)在微波L帶內(nèi)提供基波共振頻率。
57.一種調(diào)諧具有異面共振的亞微米NEMS器件的方法，包括提供一個(gè)磁場(chǎng)，其中布置NEMS器件；向NEMS器件提供AC電流，從而以共振頻率振蕩磁場(chǎng)中的NEMS器件；向NEMS器件提供DC電流，從而以恒定的洛倫茲力調(diào)諧NEMS器件的異面共振頻率。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中NEMS器件具有軸向長(zhǎng)度，并沿著其軸向長(zhǎng)度提供金屬化，其中向NEMS器件提供DC電流包括向金屬化提供DC電流。
59.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中NEMS器件還具有共面共振，并進(jìn)一步包括改變NEMS器件的溫度以調(diào)諧NEMS器件的異面和共面共振。
60.一種可調(diào)諧的NEMS器件，其具有異面共振，包括一個(gè)磁場(chǎng)源，其中布置NEMS；一個(gè)AC電源，其耦合于NEMS器件從而以共振頻率振蕩磁場(chǎng)中的NEMS器件；一個(gè)DC電源，其耦合于NEMS器件從而以恒定的洛倫茲力調(diào)諧NEMS器件的異面共振頻率。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的NEMS器件，其中NEMS器件具有軸向長(zhǎng)度并沿著其軸向長(zhǎng)度提供金屬化，其中耦合于NEMS器件的DC電流源向金屬化提供DC電流。
62.根據(jù)權(quán)利要求60的NEMS器件，其中NEMS器件還具有共面共振，并進(jìn)一步包括用于改變NEMS器件溫度的裝置，從而調(diào)諧NEMS器件的異面和共面共振。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的NEMS器件，其中NEMS器件包括由單晶體高摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體金屬雙層，且上面布置的金屬化是多晶金屬以減少半導(dǎo)體金屬雙層的應(yīng)力。
64.共振亞微米單端口NEMS器件的一種改進(jìn)，包括一個(gè)共振梁，其具有寬度W、厚度t、長(zhǎng)度L、探測(cè)器負(fù)載電阻RL、等價(jià)機(jī)械阻抗Rm，在相應(yīng)于波長(zhǎng)λ的頻率下工作，在導(dǎo)電率為σ的梁上具有一個(gè)電極，從而插入損失ε如下定義ϵ1=α2(1+α)(1+α+RmλσtwL)]]>其中α=λσRLtwL]]>被最小化或者接近1。
65.共振亞微米雙端口NEMS器件的一種改進(jìn)，包括一個(gè)共振梁，其具有寬度W、厚度t、長(zhǎng)度L、探測(cè)器負(fù)載電阻RL、等價(jià)機(jī)械阻抗Rm，在相應(yīng)于波長(zhǎng)λ的頻率下工作，在導(dǎo)電率為σ的梁上具有一個(gè)電極，從而插入損失ε如下定義ϵ2=12α12(1-α1-0.75α)12]]>其中α=λσRLtwL]]>被最小化或者接近1。
66.雙端口、直、雙鉗制NEMS磁勢(shì)梁的一種改進(jìn)，該梁耦合于一個(gè)負(fù)載電阻為RL的放大器，該NEMS梁的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為t，寬度為w，楊氏模量為E，質(zhì)量密度為ρ，位于磁場(chǎng)B內(nèi)，其金屬化的導(dǎo)電率為σ，溫度為T(mén)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)波長(zhǎng)為λ，共振頻率為f0，放大器頻譜功率密度為Sav，從而頻譜位移靈敏度Smx(2)等于或者大于相應(yīng)于NEMS梁熱波動(dòng)的頻譜位移密度，該頻譜位移靈敏度Smx(2)由下定義SX(2)m=1.68σ12λ12B(ρE)18f0-34t-34w-12[kBT+SVaRL(1-0.75α1-α)]12]]>其中kB是洛侖茲常數(shù)，且α=0.99RLσλ(ρE)14f012t12w.]]>
67.一種用Si膜制造NEMS梁的方法，包括提供Si襯底；在Si襯底上布置SiO2層；在SiO2層上布置Si外延層；選擇性各向異性腐蝕Si襯底的一部分直到用作停止層的SiO2層；選擇性腐蝕SiO2層的一部分以暴露出懸浮的Si外延層膜；和在懸浮的Si外延層膜中形成NEMS梁，借此避免毛細(xì)扭曲，并在襯底附近無(wú)散射地獲得電子束分辨率。
68.一種用GaAs膜制造NEMS梁的方法，包括提供GaAs襯底；在GaAs襯底上布置AlGaAs層；在AlGaAs層上布置GaAs外延層；選擇性各向異性腐蝕GaAs襯底的一部分直到用作停止層的AlGaAs層；選擇性腐蝕AlGaAs層的一部分以暴露出懸浮的GaAs外延層膜；和在懸浮的GaAs外延層膜中形成NEMS梁。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中選擇性各向異性腐蝕GaAs襯底的一部分直到用作停止層的AlGaAs層包括用NH4OH或者檸檬酸溶液腐蝕。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中用NH4OH溶液腐蝕包括用在腐蝕前新鮮配制的由NH4OH和H2O2構(gòu)成的溶液腐蝕，其體積比近似為1∶30。
71.根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中用檸檬酸溶液的腐蝕包括用室溫浴液腐蝕，該室溫浴液由檸檬酸一水化合物與去離子水按重量比1∶1混合并完全溶解，然后將該1∶1混合物與H2O2以3∶1體積比混合形成該浴液。
72.一種NEMS陣列分析器，包括兩個(gè)反平行的襯底；多個(gè)從其中一個(gè)襯底延伸的壓阻NEMS懸臂，每個(gè)NEMS懸臂具有不同的共振頻率從而相應(yīng)的多個(gè)共振頻率覆蓋一個(gè)所選擇的頻譜范圍；和多個(gè)從另一個(gè)襯底延伸的驅(qū)動(dòng)/感測(cè)元件，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測(cè)元件主要與多個(gè)壓阻NEMS懸臂中的一個(gè)耦合。
73.一種NEMS陣列分析器，包括一個(gè)框；多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)，其形成相互作用的陣列從而形成光學(xué)衍射柵；用于響應(yīng)輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)的裝置；和光源，用于照射多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)；和探測(cè)器裝置，用于探測(cè)來(lái)自多個(gè)NEMS結(jié)構(gòu)的衍射光，這些結(jié)構(gòu)聯(lián)合起作用作為隨時(shí)間變化的衍射柵。
74.一種NEMS電化學(xué)傳感陣列，包括多個(gè)應(yīng)變感測(cè)NEMS懸臂，每一個(gè)上面都布置有響應(yīng)相應(yīng)的分析物的覆蓋層，覆蓋層的響應(yīng)在相應(yīng)懸臂上施加一個(gè)應(yīng)變；和用于探測(cè)多個(gè)應(yīng)變感測(cè)NEMS懸臂中每一個(gè)的應(yīng)變的裝置。
75.根據(jù)權(quán)利要求74的NEMS電化學(xué)傳感陣列，其中覆蓋層的響應(yīng)包括覆蓋層體積的擴(kuò)張或者收縮變化，導(dǎo)致在相應(yīng)懸臂上施加應(yīng)變使其彎曲，且其中用于探測(cè)的裝置包括用于探測(cè)每個(gè)懸臂彎曲量的光學(xué)探測(cè)器陣列。
76.根據(jù)權(quán)利要求74的NEMS電化學(xué)傳感陣列，其中覆蓋層的響應(yīng)包括質(zhì)量負(fù)載，導(dǎo)致每個(gè)相應(yīng)懸臂的總慣性質(zhì)量的改變，且其中用于探測(cè)的裝置包括用于探測(cè)每個(gè)懸臂共振頻率偏移變化的裝置。
77.一種NEMS紅外傳感陣列，包括兩個(gè)反平行的襯底；多個(gè)尺寸相近的從其中一個(gè)襯底延伸的壓阻NEMS懸臂，每個(gè)懸臂具有相應(yīng)于不同IR頻率的相應(yīng)IR吸收器，并根據(jù)每個(gè)IR吸收器吸收的IR量誘發(fā)相應(yīng)的差分熱膨脹；和多個(gè)從另一個(gè)襯底延伸的驅(qū)動(dòng)/感測(cè)元件，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測(cè)元件主要耦合于多個(gè)壓阻NEMS懸臂的其中一個(gè)。
78.一種具有限制載流子區(qū)域的壓阻NEMS器件，包括摻雜半導(dǎo)體層；和位于摻雜半導(dǎo)體下面的本征半導(dǎo)體，其中摻雜層和本征層的厚度分別只有大約7nm和大約23nm，同時(shí)保留限定導(dǎo)電層的阱。
79.一種具有限制載流子區(qū)域的壓阻NEMS器件，包括摻雜半導(dǎo)體層，其中限定了量子阱；和位于摻雜半導(dǎo)體下面的本征半導(dǎo)體，降低摻雜半導(dǎo)體層和下面本征層的厚度直到位于摻雜層和本征層之間界面上的以及位于摻雜層的頂表面上的耗盡層的預(yù)定幅度的厚度剛好被允許，并且在界面處建立0.4eV級(jí)別或者更大的帶邊緣能差。
80.根據(jù)權(quán)利要求79的壓阻NEMS器件，進(jìn)一步包括約束層，其鄰近摻雜半導(dǎo)體層，相對(duì)于摻雜半導(dǎo)體層具有0.4eV級(jí)別或者更大的帶邊緣能差。
81.根據(jù)權(quán)利要求80的壓阻NEMS器件，進(jìn)一步包括一個(gè)鄰接摻雜半導(dǎo)體層和位于其下面的約束層，和一個(gè)鄰接摻雜半導(dǎo)體層和位于其上面的約束層，每個(gè)約束層相對(duì)于摻雜半導(dǎo)體層具有0.4eV級(jí)別或者更大的帶邊緣能差。
82.一種具有限制載流子區(qū)域的壓阻NEMS器件，包括摻雜半導(dǎo)體層，其中限定了量子阱；和摻雜半導(dǎo)體下面的絕緣層，降低摻雜半導(dǎo)體層和下面絕緣層的厚度，直到位于摻雜層和絕緣層之間的界面上和位于摻雜層的頂表面上的耗盡層的預(yù)定幅度的厚度剛好被允許，并在界面處建立0.4eV級(jí)別或者更大的帶邊緣能差。
83.一種在保留壓阻特性的同時(shí)提供最小厚度壓阻傳感器的方法，包括降低摻雜半導(dǎo)體層的厚度，和降低下面的本征層，直到位于摻雜層和本征層之間的界面上以及摻雜層的頂表面上的耗盡層的預(yù)定幅度的厚度剛好被允許。
全文摘要
一種雙鉗制的梁具有處于梁內(nèi)的不對(duì)稱(chēng)壓電層，一個(gè)柵位于該梁的亞微米距離范圍內(nèi)，形成柵梁偶極子。懸臂梁用Cl
文檔編號(hào)H01L31/0328GK1714458SQ03815927
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月7日
發(fā)明者邁克爾·L.·魯克斯, 卡米爾·L.·?？纤? Y.·T.·楊, X.·M.·H.·黃, H.·X.·唐, 達(dá)里爾·A.·哈靈頓, 吉恩·卡賽, 杰西卡·L.·阿勒特 申請(qǐng)人:加利福尼亞技術(shù)學(xué)院