介观压阻型加速度计的设计与性能测试

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1、介观压阻型加速度计的设计与性能测试摘要随着分子束外延(MBE)技术和纳机电系统加工技术的快速发展，各种新型的超晶格量子阱器件被加工出来。因尺度变小而产生的各种效应(包括量子效应)就会凸现出来，基于这些效应的纳机电器件会体现出新的特征和性能。本文研究了基于GaAs超晶格半导体薄膜结构的“介观压阻效应”的加速度传感器的研究：在力学信号作用下，共振隧穿异质结(RTH)的内部应力分布发生变化；一定条件下应力变化引起内建电场的产生；内建电场将导致共振隧穿异质结中的量子能级发生变化；量子能级变化会引起共振隧穿电流的

2、产生，通过上述四个物理过程可以将一个较弱的力学信号转化为较强的电学信号。本论文在“介观压阻效应”理论的基础上，设计并生长了AIAs／InGaAs／GaAs双势垒共振隧穿纳米薄膜结构；运用MATLAB软件对不同尺寸的加速度计结构进行了设计与分析；采用ANSYS9．0有限元分析软件对设计出的加速度计结构进行了仿真。在结构加工过程中，为了能达到减小器件的寄生电容和精确控制悬臂梁的厚度，RTH和悬臂梁分别采用了空气桥和控制孔加工技术。在实验设计方面，本论文采用拉曼应力测试系统和振动台测试系统分别对加工出的RTH

3、和加速度计结构进行了静态压力实验和动态灵敏度实验，测试结果表明：加速度计结构的输出灵敏度随偏压的改变而改变，且负阻区的动态灵敏度比正阻区的要高；灵敏度最大点出现在负阻区的谷值点与静态压阻灵敏度特性相一致。本文研究创新点主要体现在：a)突破了传统的力电耦合工作原理，采用共振隧穿薄膜作为敏感元件，设计出了基于“介观压阻效应”原理的加速度计结构；b)利用空气桥工艺加工技术，加工出了双空气桥共振隧穿异质结结构；c)实验研究发现：GaAs量子阱薄膜结构的静态压阻灵敏度可以随偏压的改变而改变，灵敏度最大点出现在负阻

4、区的谷值点，比硅约高出一个数量级。关键词：超晶格半导体薄膜，介观压阻效应，共振隧穿异质结，空气桥技术DesignandCharacteristicMeasurementonaMeso．PiezoresistanceAccelerometerAbstractWiththerapiddevelopmentofMBE(MolecularBeamEpitaxy)andNEMS(Nano—ElectromechanicalSystem)fabricationtechnology,varioussuperlatti

5、cequantumwelldeviceshavebeenfabricatedtoday．Whenthecriticaldimensionofdeviceapproachesnanometermagnitude，severaleffectswillbeappearedincludingthequantumeffect．So，thesenoveldeviceswillappearnewcharacteristicsandgoodperformances，becauseofthedimensionaleffe

6、ct．Inthisthesis，westudytheMeso-piezoresistanceEffectbasedonGaAssuperlatticesemiconductorthinmms．TheMeso·piezoresistanceEffectcanbedefinedasfollowing：Onceamechanicalsignalisappliedfortheresonanttunnelingheterostructure(RTH)，theRTHwillexperiencetheinduceds

7、train，whichwillcomeintobeingthebuilt—inelectricfieldinthethinfilms．Thestrainandbuilt—inelectricfieldwillleadtothechangeofelectronicenergystates(suchasashif0，whichwillinfluenceonthevalueofthetunnelingcurrent．Thus，aweakmechanicalsignalcallbeconvertedintoas

8、trongtunnelingcurrentsignalinprinciplethroughthefourphysicalprocessesstatedabove．Inthisthesis，wehavedesignedandfabricatedAlAs／InGaAs／GaAsdouble-barrierresonanttunnelingthinfilmsbasedonthetheoryofMeso—PiezoresistanceEffect．