高頻諧振子的諧振頻率及品質(zhì)因子快速測量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及微納電子機械系統(tǒng)測量方法，更具體地，涉及基于原子力顯微鏡(AFM)的高頻諧振子的諧振頻率及品質(zhì)因子快速測量。
【背景技術(shù)】
[0002]納電子機械系統(tǒng)(Nanoelectromechanical systems, NEMS)是納米科技的一個重要組成部分和方向，是現(xiàn)代科技重要領(lǐng)域之一，它具有超高頻率，低能耗，高靈敏度等特點。因此NEMS技術(shù)潛在的巨大效益將滲透到科技發(fā)展的各個領(lǐng)域。但NEMS技術(shù)要真正的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，還需要對NEMS器件進行充分研究，了解NEMS器件的機械及電學基本特性。因此NEMS的測試在其整個發(fā)展戰(zhàn)略中就具有極其重要的地位。在NEMS測試中，對諧振子的諧振頻率動態(tài)測試具有相當重要的研究意義，因為諧振子是NEMS中最具代表性的結(jié)構(gòu)，是眾多NEMS功能器件的基礎(chǔ)。同時，諧振子的諧振頻率是NEMS器件性能的重要物理特性。其次，NEMS諧振子的特征尺寸在亞納米到數(shù)百納米，其諧振頻率達到MHz甚至GHz。
[0003]大多數(shù)諧振子諧振頻率的測量方法目前仍處于研究階段。對諧振子諧振動態(tài)特性的測試技術(shù)主要包括電學方法，電磁方法，光學方法。電學和電磁方法是通過電或磁來激勵諧振器起振，然后通過電學方法來讀出諧振器的諧振頻率。這種方法需要復雜的電子模塊來避免寄生電容以及處理各種噪聲中微弱小信號，且當頻率越大，測量難度越大。光學方法則由于衍射極限的存在，其分辨率僅能達到半波長左右，不能對寬度小于分辨率的NEMS諧振子進行測試。為了測量高頻諧振子的諧振頻率，需要一種可靠，簡便的快速測量方法。AFM機械檢測是在測試過程中記錄下諧振子的振動振幅，從而得到不同頻率下的振幅特性，得到諧振頻率以及品質(zhì)因數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個方面提供了一種基于原子力顯微鏡(AFM)的高頻諧振子的諧振頻率和/或品質(zhì)因子快速測量方法，該方法包括:
[0005]步驟1:將諧振子器件放于壓電陶瓷上，激勵信號源輸出的激勵信號通過波形發(fā)生器，經(jīng)過放大器加到壓電陶瓷上；
[0006]步驟2:將壓電陶瓷以及諧振子器件放于AFM樣品臺上，輕敲模式掃描諧振子以確定探針在器件表面和諧振子結(jié)構(gòu)的相對位置，然后將探針精確定位于諧振子結(jié)構(gòu)振動較大處；
[0007]步驟3:將激勵信號源的頻率先定于預(yù)先估計的諧振子諧振頻率附近，輸出激勵信號，等待激勵進入穩(wěn)定狀態(tài)；
[0008]步驟4:設(shè)置激勵信號源在估計諧振頻率附近掃描，利用原子力顯微鏡探測在掃描頻率下諧振子振動位移；
[0009]步驟5:改變探針位置到諧振子結(jié)構(gòu)附近區(qū)域，重復步驟4得到壓電陶瓷的振動位移;
[0010]步驟6:將步驟4和5中相同頻率的振動位移相減，得到在不同頻率下諧振子的凈振幅；
[0011]步驟7:處理得到的數(shù)據(jù)，繪制振幅-頻率圖，得到諧振子在不同頻率下的振幅曲線，并根據(jù)該振幅曲線得到諧振子的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。
[0012]可選地，諧振子器件與壓電陶瓷形成機械接觸，從而減小損耗。
[0013]可選地，通過掃描諧振子區(qū)域的表面形貌，獲得探針和諧振子的相對位置，從而將探針精確定位于諧振子的諧振結(jié)構(gòu)上。
[0014]可選地，通過原子力顯微鏡探針的納米級的高精度測量，得到探針與諧振子相互作用的振動位移。
[0015]可選地，通過再次測量諧振子附近振動位移，與諧振子諧振結(jié)構(gòu)振動位移結(jié)合，得到諧振子的凈振幅。
[0016]可選地，基于原子力學顯微鏡納米級的分辨率，對各種不同尺寸和形狀的諧振子進行測量。
【附圖說明】
[0017]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，現(xiàn)在將參考結(jié)合附圖的以下描述，其中:
[0018]圖1是壓電陶瓷和諧振子器件放置圖以及信號源連接示意圖。
[0019]圖2是諧振子在壓電陶瓷激勵下與AFM探針相互作用示意圖。
[0020]圖3是諧振子振幅隨頻率變化不意圖。
【具體實施方式】
[0021]根據(jù)結(jié)合附圖對本發(fā)明示例性實施例的以下詳細描述，本發(fā)明的其它方面、優(yōu)勢和突出特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。
[0022]本方法提出了基于原子力顯微鏡進行高頻諧振子的諧振頻率及品質(zhì)因子快速測量。
[0023]圖1是壓電陶瓷和諧振子器件放置圖以及信號源連接示意圖。首先，將待測諧振子器件(例如納米梁器件)1放于壓電陶瓷2上形成直接機械接觸，以達到機械激勵的目的，同時，形成直接接觸有利于減小機械損耗，如圖1所示。激勵信號(例如正弦交流信號)通過信號源3 (例如波形發(fā)生器)，經(jīng)過放大器4加載到壓電陶瓷2上，通過調(diào)節(jié)波形發(fā)生器的信號頻率以及合適的電壓值，使壓電陶瓷能在在特定頻率下振動。
[0024]然后，將壓電陶瓷2以及諧振子器件1放于AFM樣品臺上，調(diào)整好AFM掃描參數(shù)，輕敲模式下針以免破壞器件結(jié)構(gòu)，并掃描諧振子區(qū)域的三維形貌，并記錄探針與諧振子的相對位置，縮小范圍之后將探針定位于諧振子的振幅較大結(jié)構(gòu)處，如圖2中的A點所示。將激勵信號源3的頻率定于預(yù)先估計的諧振子諧振頻率處。壓電陶瓷將在激勵信號的驅(qū)動下在特定頻率下振動，同時激勵諧振子振動。待被測梁進入激勵穩(wěn)定狀態(tài)后，將激勵源3改為在估計諧振頻率附近區(qū)域掃描。當探針定位于諧振結(jié)構(gòu)上，并且AFM處于工作狀態(tài)時，探針與諧振子靠近并相互作用。同時，通過AFM(例如二維掃描、力曲線)記錄下一系列頻率下諧振子振動的最大幅度點。為了避免壓電陶瓷在不同頻率下不同振幅對測量結(jié)果造成的不必要影響，有必要再次測量該系列頻率下壓電陶瓷的振幅。更改探針位置使其在諧振子附近區(qū)域下針并對之前測試的頻率再次測試，記錄保存。例如，再次測量諧振子結(jié)構(gòu)附近振動位移，例如圖2中B點所示。最后，通過計算兩次掃描測得的振動位移的差值，即可得到該頻率下諧振子的振動結(jié)構(gòu)凈振幅。將不同頻率下諧振子的振幅進行整理，得到頻率-振幅曲線，曲線峰值即為諧振子最大振幅，對應(yīng)頻率即為諧振子諧振頻率。通過頻率-振幅曲線，可計算得到諧振子品質(zhì)因數(shù)。
[0025]具體實施測量步驟如下:
[0026]1.將諧振子器件放于壓電陶瓷上形成直接機械接觸，以達到機械激勵的目的，同時，形成直接接觸有利于減小機械損耗。
[0027]2.通過信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，經(jīng)過放大器加載到壓電陶瓷上，足夠大的電壓激勵壓電陶瓷，使其在固定頻率下產(chǎn)生較大振幅并激勵諧振子振動，如圖1所示。
[0028]3.將壓電陶瓷以及諧振子器件放于AFM樣品臺上，調(diào)整AFM參數(shù)，輕敲模式下針避免破壞器件結(jié)構(gòu)，掃描諧振子區(qū)域的三維形貌，得到器件諧振子形貌以及探針位置。
[0029]4.調(diào)整AFM探針位置，將探針精確定位于諧振子結(jié)構(gòu)振幅較大位置處，如圖2中A點所示。
[0030]5.將激勵信號源的頻率定于預(yù)先估計的諧振子諧振頻率附近，輸出激勵信號，等待激勵進入穩(wěn)定狀態(tài)。
[0031]6.調(diào)整激勵源進入頻率掃描模式，設(shè)置每次頻率變化間隔時間需大于AFM探針單次掃描時間。
[0032]7.開啟AFM探針掃描得到不同頻率下該點處振動總位移。
[0033]8.改變探針位置到非諧振子振動區(qū)域，例如圖2中B點所示，設(shè)置頻率掃描不變，并再次利用AFM測得該處振動位移。
[0034]9.處理得到的數(shù)據(jù)，將7、8步測得的同頻率下的位移相減，得到諧振子的凈振幅，繪制頻率-振幅圖，如圖3所示，
[0035]10.根據(jù)諧振子的頻率-振幅圖，得到諧振子的諧振頻率，并計算得到諧振子的品質(zhì)因數(shù)。
[0036]根據(jù)本發(fā)明實施例的測量方法具有如下一個或多個優(yōu)點:
[0037]1.本方法是一種非破壞測量方法，測量過程中不會破壞納米尺度結(jié)構(gòu)。
[0038]2.本方法是一種快速測量，這是基于原子力學顯微鏡的快速測量方式。
[0039]3.本方法具有高靈敏度，這是基于原子力顯微鏡納米級的高測量精度。
[0040]4.本方法測量頻率可從幾百赫茲到GHZ，理論上對頻率上限沒有限制。
[0041]5.本方法測量可以得到諧振子振動的凈振幅，同時諧振子的品質(zhì)因數(shù)。
[0042]盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的特定示例性實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離所附權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行形式和細節(jié)上的多種改變。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該限于上述實施例，而是應(yīng)該不僅由所附權(quán)利要求來進行確定，還由所附權(quán)利要求的等同物來進行限定。
【主權(quán)項】
1.一種基于原子力顯微鏡AFM的高頻諧振子的諧振頻率和/或品質(zhì)因子快速測量方法，該方法包括: 步驟1:將諧振子器件放于壓電陶瓷上，激勵信號源輸出的激勵信號通過波形發(fā)生器，經(jīng)過放大器加載到壓電陶瓷上； 步驟2:將壓電陶瓷以及諧振子器件放于AFM樣品臺上，掃描諧振子以確定探針在器件表面位置，然后將探針精確定位于諧振子振幅較大的結(jié)構(gòu)上； 步驟3:將激勵信號源的頻率設(shè)定于預(yù)先估計的諧振子諧振頻率附近，輸出激勵信號，等待激勵進入穩(wěn)定狀態(tài)； 步驟4:設(shè)置激勵信號源在估計諧振頻率附近掃描，利用原子力顯微鏡探測在掃描頻率下諧振子振動位移； 步驟5:改變探針位置到諧振子附近區(qū)域，重復步驟4得到器件在諧振子附近的振動位移; 步驟6:將步驟4和5中相同頻率的振動位移相減，得到在不同頻率下諧振子的凈振幅；以及 步驟7:處理得到的數(shù)據(jù)，繪制振幅-頻率圖，得到諧振子在不同頻率下的振幅曲線，并根據(jù)該振幅曲線得到諧振子的諧振頻率和/或品質(zhì)因數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，諧振子器件與壓電陶瓷形成機械接觸，從而減小損耗。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過掃描諧振子區(qū)域的表面形貌，獲得探針和諧振子的相對位置，從而將探針精確定位于諧振子的諧振結(jié)構(gòu)上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過原子力顯微鏡探針的納米級的高精度測量，得到探針與諧振子相互作用的振動位移。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過再次測量諧振子附近振動位移，與諧振子諧振結(jié)構(gòu)振動位移結(jié)合，得到諧振子的凈振幅。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于原子力學顯微鏡納米級的分辨率，對各種不同尺寸和形狀的諧振子進行測量。
【專利摘要】一種基于AFM的高頻諧振子的諧振頻率和/或品質(zhì)因子測量方法，包括：將諧振子器件放于壓電陶瓷上，將激勵信號加到壓電陶瓷上；將壓電陶瓷及諧振子器件放于AFM樣品臺上，掃描諧振子以確定探針在器件表面位置，然后將探針精確定位于諧振子振幅較大的結(jié)構(gòu)上；將激勵信號源的頻率先定于預(yù)先估計的諧振子諧振頻率附近，等待激勵進入穩(wěn)定狀態(tài)；設(shè)置激勵信號源在估計諧振頻率附近掃描，利用原子力顯微鏡探測在掃描頻率下諧振子振動位移；改變探針位置到諧振子附近區(qū)域，得到器件在諧振子附近的振動位移；將相同頻率的振動位移相減，得到在不同頻率下諧振子的凈振幅；以及處理得到的數(shù)據(jù)，得到諧振子的諧振頻率和/或品質(zhì)因數(shù)。
【IPC分類】G01Q60/24, G01H13/00
【公開號】CN105258786
【申請?zhí)枴緾N201510736562
【發(fā)明人】劉楊, 張明亮, 王曉東, 楊富華
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月3日