高灵敏微悬臂梁探针设计制作及特性的研究

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1、摘要摘要微悬臂梁作为微机电系统(Microelectromechanicalsystem,MEMS)中常用的微传感器，被广泛应用于力检测、质量检测、加速度检测、气压检测、化学生物检测等领域。特别地，用以检测样品电子自旋、核自旋的磁共振力显微镜(MRFM)-18需要能够检测到aN(10N)甚至更小力的高灵敏微悬臂梁。热机械噪声限制了悬臂梁极限力探测。基于此，更长、更薄、更窄的高品质因数(Q值)微悬臂梁在极低温下，是测量极小力的理想探测器。然而，尺寸变长变窄变薄会限制Q值，因此设计时需要综合考虑。由于尺寸特性，高灵敏微悬

2、臂梁与普通悬臂梁相比，刚度低三个数量级，使得加工时容易造成损坏。此外，目前对于高灵敏微悬臂梁的性能研究尚不全面，需要进一步进行深入研究。本文基于MEMS微加工及MRFM系统，以高灵敏单晶硅微悬臂梁为研究对象，以提高单晶硅微悬臂梁制作成批率、优化微悬臂梁结构、完善微悬臂梁特性研究为目标，对单晶硅微悬臂梁的结构设计、基于SOI圆片的制作工艺、空气及真空中的特性分析进行了系统的研究。基于能量损耗模型和热噪声理论，对高灵敏微悬臂梁进行结构设计。悬臂梁能量损耗分为空气阻尼损耗、热弹性损耗、支撑损耗、表面应力损耗等。真空中，空气

3、阻尼可以忽略，随着悬臂梁厚度降低，表面应力损耗成为制约品质因数的主要因素。通过分析，对于所研究的高灵敏微悬臂梁，表面能量损耗远大于其他方式能量损耗。热机械噪声限制了悬臂梁极限力探测。根据热噪声原理，设计出用以探测aN的单晶硅微悬臂梁。在高灵敏微悬臂梁制作方面，提出一种基于SOI圆片和湿法刻蚀体硅的单晶硅微悬臂梁制作方法。湿法体硅刻蚀过程中采用表面氧化及黑蜡共同保护正面。正面氧化一方面可以令正面保护更加完善，并且为后续埋氧层图形化做好了准备，还可以对单晶硅微悬臂梁进行厚度减薄至指定厚度。SOI埋氧层存在内应力，实验中体

4、硅刻蚀完毕时，埋氧层由于内部压应力的挤压作用发生变形破裂，并对单晶硅微悬臂梁造成破坏。为解决该问题，提出了对埋氧层事先进行图形化，即让其破裂在指定位置以避开悬臂梁，从而提高产率的方法。比较了矩形图形化与悬臂梁图形化释放应力的优劣，矩形图形化后悬臂梁产率50%，悬臂梁图形化方式可以实现产率100%，高于目前大量文献中提到的产率。此外，湿法过程中刻蚀、清洗操作，采用溶液置换方法。将SOI圆片放在聚四氟乙烯小容器中进行操作，避免直接操作器件，能够保护微悬臂梁不被液体张力破坏。由于H2O张力较大且挥发慢，直接从H2O取出悬臂

5、梁容易造成损坏，因此我们将悬臂梁的H2O环境置换成乙醇环境，从乙醇中取出样品。最终，在加热平板上烘干单I摘要晶硅悬臂梁。实验中，制作了数批单晶硅微悬臂梁。长度为250-500µm，宽度10µm，厚度为0.5µm-1µm。空气中微悬臂梁特性研究包括刚度、频率、Q值、端头质量影响。制备出的3单晶硅微悬臂梁具有良好的低刚度特性，以465×10×0.85µm单晶硅微悬臂梁为例，在悬臂梁上真空蒸发镀膜48nm厚的Au层，悬臂梁端头偏移位移达14µm。低刚度微悬臂梁，在空气中振动能量损耗主要来源于空气阻尼，上述单晶硅微悬臂梁空气

6、中Q值为7.25。通过涂胶方式，研究携带端头质量微悬臂梁的特性。涂胶方式可以连续给同一根悬臂梁施加不同端头质量，与一次性微加工成型，方法简单且测量数据更具有可比性。端头质量通过微悬臂梁频率偏移计算得到。当端头质量为22.82ng，悬臂梁Q值从7.25增至19.07。端头质量会影响各阶振动频率，以22.82ng端头质量为例，悬臂梁前十阶振动频率均下降，与文献中所述频率离散不符合，这归结于点质量加载与块体质量加载不同。在MRFM应用方面，对微悬臂梁厚度、磁针尖进行了优化设计，并研究了真空系统中悬臂梁的特性。悬臂梁优化厚度

7、为四分之一波长的基数倍时，悬臂梁反射信号最强。对于相同特征尺寸的圆锥、球体、圆柱体磁针尖，圆锥体产生的近场磁场梯度最大；对于相同形状磁针尖，体积越小近场磁场梯度越大，但衰减较快。在77-220K范围中，真空系统中的测试结果表明温度降低，微悬臂梁力探测分辨率越高。微悬臂梁在140K时Q值出现最低值，与之对应体硅材料出现在115K。端头集中质量会抑制微悬臂梁在真空中的Q值，这表明周期内表面能量损耗与振动周期时间有关。微悬臂梁和光纤干涉仪光纤端面构成FP腔，通过光学控制可以抑制微悬臂梁噪声，起到冷却效果，使得在77K环境温

8、度中的有效噪声温度降至10K。光学控制可以在不影响力检测分辨率的情况下，提升系统动态测量范围与响应速度。关键词：微悬臂梁品质因数热机械噪声端头质量MRFM磁针尖IIAbstractABSTRACTAsaMEMSdetector,microcantileverhasbeenwidelyemployedinforcedetection,massde