本發(fā)明涉及一種通過降低空氣和表面損耗提高硅微諧振器品質(zhì)因子的方法，屬于微機電器件傳感器。

背景技術(shù)：

1、微機械諧振器是基于微納米技術(shù)制造的諧振結(jié)構(gòu)，通常由半導(dǎo)體、金屬或復(fù)合材料構(gòu)成，具有高靈敏度、高品質(zhì)因子、高諧振頻率、低功耗和小尺寸等特點，已成為眾多微/納機電系統(tǒng)(microelectromechanical?system,mems)的核心器件，它們在傳感、通信、頻率控制和量子力學(xué)實驗等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2、在諧振器工作過程中，能量耗散是影響其綜合性能的核心因素，也是限制微/納機械諧振器性能提升與應(yīng)用拓展的關(guān)鍵問題。品質(zhì)因子作為表征諧振器能量耗散特性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接決定了諧振器的性能表現(xiàn)和實際應(yīng)用潛力，它的常見定義為q＝f0/fwhm，其中f0為幅頻曲線中諧振峰的中心頻率，fwhm表示諧振峰振幅為1/2倍處的寬度。

3、品質(zhì)因子直接決定了諧振器頻率特性曲線中諧振峰的尖銳程度，品質(zhì)因子越高，諧振峰越尖銳。影響品質(zhì)因子的因素主要包括兩個方面：首先，外部環(huán)境的影響是關(guān)鍵因素，其中外部阻尼在微納機械諧振器中尤為重要。特別是在流體環(huán)境中，阻尼引起的能量損耗是導(dǎo)致品質(zhì)因子下降的主要原因，占據(jù)主導(dǎo)地位。其次，從尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)的角度來看，隨著器件特征尺度的減小，比表面積顯著增加，表面或界面作用力顯著增強，從而導(dǎo)致品質(zhì)因子的降低。表面損耗可以分為由機械變形的表面層造成的表面損耗和空氣中極性分子表面吸附造成的表面損耗。因此，在空氣環(huán)境下，降低空氣阻尼和表面損耗對提高品質(zhì)因子尤為重要。

4、最近幾年，有研究發(fā)現(xiàn)通過在諧振器刻蝕孔洞來減少空氣阻尼對品質(zhì)因子進行改善。但是該方案破壞了諧振器原有的結(jié)構(gòu)，諧振器只能是具有微孔的諧振器，不利于諧振器的特定化；也有通過表面改性的方法降低表面損耗，但是該方案往往步驟復(fù)雜且缺乏長期穩(wěn)定性。同時也有人直接用金剛石來制作高品質(zhì)因子諧振器，但是制作流程往往涉及光刻、刻蝕、離子注入或者離子束剝離、鍵合法，得到金剛石諧振器，但是方法價格昂貴，且無法改變原有硅諧振器的品質(zhì)因子。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種通過降低空氣和表面損耗提高微諧振器品質(zhì)因子的方法，在硅微懸臂梁表面沉積一層金剛石，可以同時降低表面損耗，有效提高微諧振器的品質(zhì)因子。

2、本發(fā)明明確地計算了硅微懸臂梁(218×32μm2)的每個損耗作為梁厚度的函數(shù)。隨著厚度的增加,和減少,而和增加。微懸臂在一定的厚度范圍內(nèi)(<5.5μm),通過有限元模擬各種材料沉積在硅上，其中金剛石對降低空氣阻尼效果最為明顯。因此，本發(fā)明采用微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(mpcvd)技術(shù)，在硅微懸臂梁(長×寬×厚為218×32×2μm3)沉積3.5μm厚的金剛石上。另外金剛石表面的化學(xué)惰性以及疏水性可以額外降低表面損耗，硅由于受空氣中的氧氣自然氧化，表面會有一層1-2nm的天然二氧化硅氧化層，這層氧化層影響機械，并且吸收空氣中的水分，增加表面損耗，而金剛石層可以同時最大程度地降低空氣阻尼和表面損耗。

3、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

4、一種通過降低空氣和表面損耗提高硅微諧振器品質(zhì)因子的方法，包括如下步驟：

5、s1：計算硅微懸臂梁的各種損耗隨厚度的變化；

6、s2：有限元模擬各種材料沉積在硅微懸臂梁后空氣阻尼的變化；

7、s3：制作金剛石/硅微懸臂梁諧振器：在硅微懸臂梁上沉積一層金剛石，以降低空氣阻尼和表面損耗；

8、s4：利用信號發(fā)生裝置激勵金剛石/硅微懸臂梁諧振器振動，并采集金剛石/硅微懸臂梁諧振器的振動信號，以驗證品質(zhì)因子的提高倍數(shù)。

9、降低空氣阻尼的方法有抽真空降低真空度以及通過在諧振器刻蝕孔洞來減少空氣阻尼，但是上述方案成本高或破壞了諧振器原有的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明利用金剛石增厚硅懸臂梁，由于金剛石高的楊氏模量，相比較其他材料，可以最大程度降低空氣阻尼。

10、表面損耗可以分為由機械變形的表面層造成的表面損耗和空氣中極性分子表面吸附造成的表面損耗。因為硅的表面會有一層1-2nm的天然二氧化硅氧化層，這層氧化層影響機械變形造成的損耗，并且其吸收空氣中的水分，增加表面損耗，而在硅懸臂梁上沉積金剛石可以將這層二氧化硅層覆蓋，另外金剛石表面的化學(xué)惰性以及疏水性可以額外降低表面損耗，因此，金剛石層可以同時降低這兩種表面損耗。

11、本發(fā)明通過數(shù)值計算和仿真研究了諧振器的各種損耗機制，硅微懸臂梁諧振器在空氣中的能量損失主要以空氣阻尼和表面損耗為主。該發(fā)明只需要沉積一層金剛石薄膜，便可以同時降低諧振器在空氣中兩種最主要的損耗，即空氣阻尼和表面損耗，而大幅度提高品質(zhì)因子。

12、優(yōu)選的，步驟s1的實現(xiàn)過程為：

13、對于在空氣中工作的微懸臂梁，總品質(zhì)因子qtotal由下式給出：

14、

15、其中為空氣阻尼，為支撐損耗，為熱彈性損耗，為表面損耗，可分別由下式定義：

16、

17、其中wc、tc、lc、ρc、ec和ω分別是微懸臂梁的寬度、厚度、長度、密度、楊氏模量和懸臂梁的振動頻率，ρ0為空氣密度，μ為空氣粘度；β與懸臂梁的泊松比和彎曲模態(tài)有關(guān)，其近似等于0.95，tb為支座的厚度；cp為恒壓下單位體積的熱容，αt為熱膨脹系數(shù)，κ為導(dǎo)熱系數(shù)，t為微懸臂梁的工作溫度，es和χ分別為耗散層的楊氏模量和厚度，τr為溫度梯度在基本本征模中衰減的時間常數(shù)；

18、根據(jù)上述公式計算硅微懸臂梁(218×32μm2)的每個損耗作為梁厚度的函數(shù)。

19、優(yōu)選的，步驟s2的實現(xiàn)過程為：

20、s21：使用商用多物理場軟件建立一個球體包圍雙層懸臂梁的模型和一個完美匹配層(pml)，pml吸收傳播到邊界的波，用于截斷計算；

21、s22：懸臂梁下層賦予硅的材料屬性，懸臂梁上層分別賦予金剛石、碳化硅、氮化硅、砷化鎵的材料屬性，球體賦予空氣的材料屬性；

22、s23：為梁使用自由三角形邊界層網(wǎng)格，并為空氣域使用自由四邊形網(wǎng)格，在梁上加附層，層厚度為d，其中d為穿透深度，代表粘性邊界層和熱邊界層的厚度，d的表達式如下：d＝(μ/πfrρ0)1/2，其中fr為微懸臂梁的振動頻率；

23、s24：通過特征頻率分析確定空氣阻尼損失，計算公式為：im(2πfr)和re(2πfr)分別表示復(fù)數(shù)的虛部和實部。

24、優(yōu)選的，所述金剛石的厚度為3～4μm。

25、優(yōu)選的，步驟s3的金剛石/硅微懸臂梁諧振器的制作過程為：

26、s31：將納米金剛石(nds)在350～450℃的氧氣環(huán)境中退火3～5小時，以去除石墨和其他碳質(zhì)雜質(zhì)；隨后，將納米金剛石超聲分散于純水中制成濃度為1.5mg·ml-1的溶液，并以900～1100rpm離心5～6小時，收集上清液，獲得帶負電荷納米金剛石膠體懸浮液，用于后續(xù)播種；

27、s32：使用體積分?jǐn)?shù)為10％的陽離子甲基丙烯酸乙酯三甲基氯化銨溶液浸泡硅微懸臂梁10min，使帶負電荷納米金剛石能夠靜電附著在硅表面；這種靜電吸附布金剛石種子的方式具有均勻性高、密度高以及無機械損傷的優(yōu)點，可以在硅懸臂梁上生長出應(yīng)力很小的金剛石層，金剛石層應(yīng)力太大會導(dǎo)致硅懸臂梁斷裂，從而金剛石層生長失敗；

28、s33：將硅微懸臂梁放置在mpcvd設(shè)備(型號：up-206,uniplasma,中國)中，微波功率固定為3300w，在120torr的室壓下，h2和ch4的流量分別保持在500和20sccm，生長持續(xù)65min，形成厚度3～4μm的金剛石膜；

29、s34：生長后，將硅微懸臂梁在h2等離子體中處理50min，以減少表面碳物質(zhì)，然后將硅微懸臂梁在h2氣氛中緩慢冷卻30min至室溫。

30、優(yōu)選的，步驟s31中，納米金剛石采用直徑為50nm的商業(yè)爆轟納米金剛石；在400℃的氧氣環(huán)境中退火4小時；將納米金剛石超聲分散于純水中，并以1000rpm離心6小時。

31、增厚懸臂梁厚度可以降低空氣阻尼和表面損耗，其中金剛石因為其高的楊氏模量降低空氣阻尼顯著，因而本發(fā)明采用微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(mpcvd)技術(shù)，在硅微懸臂梁(218×32×2μm3)沉積3.5μm厚的金剛石上。另外金剛石表面的化學(xué)惰性以及疏水性可以額外降低表面損耗，因為硅的表面會有一層1-2nm的天然二氧化硅氧化層，這層氧化層影響機械，并且吸收空氣中的水分，增加表面損耗，而金剛石層可以同時最大程度地降低空氣阻尼和表面損耗。

32、優(yōu)選的，步驟s4的激勵金剛石/硅微懸臂梁諧振器振動的過程為：

33、s41：金剛石/硅微懸臂梁的長度和寬度分別為218μm和32μm，厚度方向自下而上依次為2μm的硅層和3.5μm的金剛石層，將金剛石/硅微微懸臂梁粘接在d33值為250pm·v-1的鋯鈦酸鉛(pzt)壓電換能器上；

34、s42：將信號發(fā)生器(型號：33220a,agilent，美國)與壓電換能器連接，鎖相放大器與多普勒測振儀連接，對于懸臂激勵，使用信號發(fā)生裝置(33220a,agilent，美國)施加正弦(ac)探測信號。

35、優(yōu)選的，步驟s4中，采集信號的過程為：

36、多普勒測振儀的探測激光通過物鏡聚焦，并利用三維位移平移臺精確調(diào)整金剛石/硅微懸臂梁的位置，使探測激光準(zhǔn)確聚焦于金剛石/硅微懸臂梁的表面，聚焦的激光光斑直徑為10μm；當(dāng)探測激光照射在金剛石/硅微懸臂梁表面時，反射光的頻率發(fā)生變化；多普勒測振儀的控制器通過檢測該頻率變化，基于多普勒效應(yīng)獲取金剛石/硅微懸臂梁的振動電壓信號；當(dāng)金剛石/硅微懸臂梁微諧振器朝向探頭運動，其反射回的激光會比入射激光具有更短的波長，即發(fā)生藍移；當(dāng)金剛石/硅微懸臂梁諧振器背向探頭運動，其反射回的激光會比入射激光具有更長的波長，即發(fā)生紅移。通過測量反射光的波長以及相對于入射光的相位，按照現(xiàn)有技術(shù)即可計算出金剛石/硅微懸臂梁諧振器振動的速度值，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號；

37、采集到的振動電壓信號經(jīng)過鎖相放大器進行放大和帶通濾波處理后，與參考信號一同輸入混頻器，混頻器的輸出信號經(jīng)低通濾波器處理，得到懸臂梁振動信號的頻域響應(yīng)，其中參考信號由鎖相放大器內(nèi)部產(chǎn)生的正弦信號提供，最終處理后的數(shù)據(jù)通過計算機顯示。

38、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見現(xiàn)有技術(shù)。

39、本發(fā)明的有益效果為：

40、1.本發(fā)明作為一種新型的提高機械諧振器品質(zhì)因子的方式，不需要額外的外界激勵、反饋電路、電源，能適應(yīng)各種環(huán)境，易于操作，且品質(zhì)因子提高效果明顯。

41、2.相比于已有的研究，本發(fā)明只需要通過mpcvd在硅懸臂梁上沉積一層金剛石就可以同時降低空氣阻尼和表面損耗，方法簡單，不再需要其他方式。

42、3.本發(fā)明只需要沉積一層金剛石薄膜，便可以同時降低諧振器在空氣中兩種最主要的損耗(空氣阻尼和表面損耗)，而大幅度提高諧振器品質(zhì)因子。