[发明专利]高频谐振子的谐振频率及品质因子快速测量

说明书

技术领域

本发明总体上涉及微纳电子机械系统测量方法，更具体地，涉及基于原子力显微镜(AFM)的高频谐振子的谐振频率及品质因子快速测量。

背景技术

纳电子机械系统(Nanoelectromechanicalsystems，NEMS)是纳米科技的一个重要组成部分和方向，是现代科技重要领域之一，它具有超高频率，低能耗，高灵敏度等特点。因此NEMS技术潜在的巨大效益将渗透到科技发展的各个领域。但NEMS技术要真正的应用到生产生活中，还需要对NEMS器件进行充分研究，了解NEMS器件的机械及电学基本特性。因此NEMS的测试在其整个发展战略中就具有极其重要的地位。在NEMS测试中，对谐振子的谐振频率动态测试具有相当重要的研究意义，因为谐振子是NEMS中最具代表性的结构，是众多NEMS功能器件的基础。同时，谐振子的谐振频率是NEMS器件性能的重要物理特性。其次，NEMS谐振子的特征尺寸在亚纳米到数百纳米，其谐振频率达到MHz甚至GHz。

大多数谐振子谐振频率的测量方法目前仍处于研究阶段。对谐振子谐振动态特性的测试技术主要包括电学方法，电磁方法，光学方法。电学和电磁方法是通过电或磁来激励谐振器起振，然后通过电学方法来读出谐振器的谐振频率。这种方法需要复杂的电子模块来避免寄生电容以及处理各种噪声中微弱小信号，且当频率越大，测量难度越大。光学方法则由于衍射极限的存在，其分辨率仅能达到半波长左右，不能对宽度小于分辨率的NEMS谐振子进行测试。为了测量高频谐振子的谐振频率，需要一种可靠，简便的快速测量方法。AFM机械检测是在测试过程中记录下谐振子的振动振幅，从而得到不同频率下的振幅特性，得到谐振频率以及品质因数。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种基于原子力显微镜(AFM)的高频谐振子的谐振频率和/或品质因子快速测量方法，该方法包括：

步骤1：将谐振子器件放于压电陶瓷上，激励信号源输出的激励信号通过波形发生器，经过放大器加到压电陶瓷上；

步骤2：将压电陶瓷以及谐振子器件放于AFM样品台上，轻敲模式扫描谐振子以确定探针在器件表面和谐振子结构的相对位置，然后将探针精确定位于谐振子结构振动较大处；

步骤3：将激励信号源的频率先定于预先估计的谐振子谐振频率附近，输出激励信号，等待激励进入稳定状态；

步骤4：设置激励信号源在估计谐振频率附近扫描，利用原子力显微镜探测在扫描频率下谐振子振动位移；

步骤5：改变探针位置到谐振子结构附近区域，重复步骤4得到压电陶瓷的振动位移；

步骤6：将步骤4和5中相同频率的振动位移相减，得到在不同频率下谐振子的净振幅；

步骤7：处理得到的数据，绘制振幅-频率图，得到谐振子在不同频率下的振幅曲线，并根据该振幅曲线得到谐振子的谐振频率和品质因数。

可选地，谐振子器件与压电陶瓷形成机械接触，从而减小损耗。

可选地，通过扫描谐振子区域的表面形貌，获得探针和谐振子的相对位置，从而将探针精确定位于谐振子的谐振结构上。

可选地，通过原子力显微镜探针的纳米级的高精度测量，得到探针与谐振子相互作用的振动位移。

可选地，通过再次测量谐振子附近振动位移，与谐振子谐振结构振动位移结合，得到谐振子的净振幅。

可选地，基于原子力学显微镜纳米级的分辨率，对各种不同尺寸和形状的谐振子进行测量。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1是压电陶瓷和谐振子器件放置图以及信号源连接示意图。

图2是谐振子在压电陶瓷激励下与AFM探针相互作用示意图。

图3是谐振子振幅随频率变化示意图。

具体实施方式

根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。

本方法提出了基于原子力显微镜进行高频谐振子的谐振频率及品质因子快速测量。

图1是压电陶瓷和谐振子器件放置图以及信号源连接示意图。首先，将待测谐振子器件(例如纳米梁器件)1放于压电陶瓷2上形成直接机械接触，以达到机械激励的目的，同时，形成直接接触有利于减小机械损耗，如图1所示。激励信号(例如正弦交流信号)通过信号源3(例如波形发生器)，经过放大器4加载到压电陶瓷2上，通过调节波形发生器的信号频率以及合适的电压值，使压电陶瓷能在在特定频率下振动。