建立新一代约瑟夫森电压基准——正弦量子电压信号的合成

利用SINIS型约瑟夫森结阵建立的新一代约瑟夫森电压基准可以合成动态电压信号,论文研究了交流量子电压的合成方法,研制了用于合成交流量子电压的SINIS结高速驱动装置,深入分析了合成交流量子电压的误差及测量不确定度。实验结果表明,目前合成1 V峰值60 Hz频率的交流电压,其有效值的测量不确定度优于2×10-6量级。用SINIS结高速驱动装置合成的交流量子电压具有很好的稳定性和良好的不确定度指标。交流量子电压的成功合成填补了国内该研究领域的空白,为进一步建立我国首个交流量子电压基准奠定了良好基础。     

悬臂梁式微机电开关中信号线的位置设计研究

建立交直流分离悬臂梁式MEMS(micro-electro-mechanical systems)开关的四阶段分析模型,利用该模型对交直流分离悬臂梁式MEMS开关进行分析发现,信号线的位置不仅对信号线和膜间的电容有影响,而且信号线的位置直接影响交直流分离MEMS开关是否可以在稳定的电压下正常工作。悬臂梁的变形一旦进入到第四阶段,驱动电压和电容都将会不可控地下降,从而使MEMS开关不能正常工作。针对交直流分离悬臂梁式MEMS开关可能会出现的驱动电压和电容比同时下降的问题,提出一种确定不进入第四阶段的信号线位置——临界信号线位置的方法。该方法的原理是信号线的位置恰好使最大驱动电压等于最大电容比所对应的电压。实例计算驱动电极位置与信号线临界位置间的关系曲线、驱动电极位置与峰值电压间的关系曲线以及驱动电极位置与所能达到的最大电容比间的关系曲线。     

异形非对称柔性铰链力学特性的研究

基于大柔度混合柔性铰链设计理念,提出了一种非对称式直圆摆线混合柔性铰链,并对其力学特性进行了研究。基于悬臂梁弯曲理论和微元法下的胡克定律,通过选取合适的积分变量与中间变量,得到较为简洁的转动柔度和拉伸柔度的计算公式,并给出了最大应力的计算公式;讨论了转动柔度和最大应力随参数的变化趋势,比较了结构参数对转动柔度和最大应力影响的显著程度。结果表明,转动柔度、拉伸柔度和最大应力解析式的最大误差分别在7%、5%和5%以内;转动柔度与弹性模量、宽度和最小厚度成反比,与直圆半径和拱高参数成正比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,拱高参数和直圆半径最弱;最大应力与宽度、最小厚度和直圆半径成反比,且对最小厚度的变化最为敏感,宽度次之,直圆半径最弱。     

超导单光子探测器

来自俄罗斯和美国的一个研究小组对纳米结构的NbN超导单光子探测器进行了一系列测试。测试工作是在多种可见光和近红外波长以及，1．2K的温度下进行的，测试的内容包括量子效率、千兆赫计数速率、跳动和噪声等效功率。测试结果表明，降低工作温度或者增强光子的耦合，同时使用四分之一波谐振器或者背反射镜，     

基于硅各向同性腐蚀工艺的三维曲面壳体微谐振器制备技术

轴对称3D曲面壳体谐振器具有自身对称性好、耐冲击能力强、可靠性高的特点,是应用最为广泛的谐振器之一,但因制备工艺涉及薄壳结构的曲面成形过程,属于MEMS 3D工艺,很难进行批量化制备。基于硅各向同性湿法技术对多晶硅3D曲面壳体谐振器的批量化制备工艺进行了实验研究。设计了脱模法制备多晶硅3D曲面壳体结构的工艺流程,实验优选体积比为15∶10∶75的醋酸、氢氟酸、硝酸的混合液各向同性腐蚀制备硅半球腔模具,利用自制的水浴设备和水平度可调夹具,对刻蚀液温度和扩散速度进行了有效控制,减弱了反应放热和硅基片放置不水平对硅半球腔圆度与粗糙度的影响。制备了直径为0.8～1.3mm的多晶硅3D曲面壳体结构,测试对称性最好优于0.4%,多晶硅3D曲面壳体结构的表面粗糙度优于1nm。在0.2Pa的压强下,激光多普勒测试得到曲面壳体谐振器的谐振频率为28kHz,Q值为14 365,调节驱动电压和偏置电压可实现谐振器四波腹谐振模态的模式匹配,基频差趋于零。     

纳米硅氧多层薄膜低温调控及其发光特性

为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用,本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术,低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示,通过调整nc-SiOx层的厚度,实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明,nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明,多层结构发光表现为一个固定于1.19eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰,其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光,发光衰减寿命约在4.6μs,峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光,对应两个发光衰减过程,其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9μs增加到16.5μs,快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明,薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。     

基于氧化锌纳米线的硅谐振式加速度计

设计制作了一种基于氧化锌纳米线的谐振式硅加速度计,该加速度计的敏感单元为由氧化锌纳米线横跨金属微电极组成的谐振器。采用介电电泳的方法组装了氧化锌纳米线,并利用FIB沉积Pt将氧化锌纳米线固定在微结构上以确保结构的可靠性。在加速度的作用下,质量块引起的惯性力通过支撑梁对纳米线施加应力,因此,在谐振条件下,纳米线谐振频率的变化反映了加速度的大小。谐振式加速度计的准数字输出能解决多数MEMS器件输出微弱信号检测难的问题。实验结果表明,加速度计的灵敏度随着纳米线的厚度的减小而急剧增加,选择500 nm厚度的纳米线作为理论分析,加速度计的灵敏度可达2.5 kHz/g以上。     

智能CMOS集成温度传感器设计

基于标准0．18μm CMOS工艺和低功耗设计方法设计了集成温度传感器所需的3个重要电流产生电路，即与温度成正比的电流，与温度成反比的电流和稳定的、不随温度及电源电压变化的电流产生电路。采用低功耗设计方法解决了自然效应对温度传感器的影响。采用TSMC所提供的BSIM3V3模型进行仿真，电路在-40～120℃具有高线性度、高稳定度。同时电路具有低压、低功耗的优点，并且有良好的移植性，可使用于更多更广泛的吻合。     

冲击式气扳机噪声测量不确定度研究

该文主要研究冲击式气扳机空转噪声测量结果的不确定度评定,按照标准JB/T8411-2006《冲击式气扳机》和GB/T 5898-2008/ISO 15744:2002《手持式非电类动力工具噪声测量方法工程法(2级)》要求,在半消声室中对冲击式气扳机噪声的A计权声功率级测量结果进行不确定度评定,验证了噪声检测方法的合理性与设备检测精度,同时为冲击式气扳机噪声测量结果不确定度评定提供参考。     

相变区纳米硅氧薄膜的微观结构及光学特性

为了研究硅异质结太阳电池中纳米硅氧薄膜的光电特性,采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了一系列不同晶态比例的nc-SiOx∶H薄膜,利用拉曼散射光谱(Raman)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光谱等检测手段分别对薄膜的微观结构、键合配置,能带特征以及发光特性进行了表征。薄膜结构特征分析显示,随着氧掺入量的增加,薄膜由微晶向非晶转化,光学带隙逐渐增加,而处在相变区(晶化度约为10%,nc-Si尺寸约为3nm)的薄膜具有较高的中程有序度、较小的结构因子和较为致密的微观结构。薄膜稳/瞬态光致发光结果显示,一定量的氧掺入可以钝化缺陷、增强发光,而相变区薄膜的发光强度最大,表明较小尺寸的nc-Si具有较强的量子限制效应,nc-Si的量子限制效应发光是主要的载流子复合机制。     

Simple liquid pumping system using piezoelectric actuated cantilever beam

A simple liquid pumping system is designed using a piezoelectric actuated cantilever beam with a glass tube attached to its tip. The flowrate of the pump is proportional to the tip displacement and vibrating frequency of the cantilever beam. The flowrate linearly increases up to 0.53 mL/s for water with actuation voltage (with amplitudes up to 300 V_(p-p)) applied to the piezoelectric actuator. The effect of other important parameters such as viscosity of the liquid, level of the liquid in the vessel and tube diameter on the flowrate of the pump is experimentally evaluated. The results demonstrate that the proposed pump is applicable to liquids with viscosity ranging from 0.23 to 170 mPa s.     

Fabrication of ionic liquid thin film by nano-inkjet printing method using atomic force microscope cantilever tip

We demonstrate the fabrication of thin films of ionic liquid (IL), 1-butyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoborate, by nano-inkjet printing method using an atomic force microscope (AFM) cantilever. The IL filled in a pyramidal hollow of the AFM cantilever tip was extracted from an aperture at the bottom of the hollow and deposited onto a Pt substrate when the bias voltage was applied between the cantilever and the substrate. We succeeded in fabricating IL thin films with a thickness of 4 nm. The areas and thicknesses of IL thin films were controlled by the fabrication conditions in this method, which is also useful for the investigations of nanometer-scale properties of ionic liquid.     

基于静电力的可溯源微悬臂梁刚度标定方法

许多研究机构都建立了微纳力值测量系统,并达到了非常高的测量精度。但是,对微纳力值的传递却很少研究。采用无源悬臂梁作为微纳力值传递标准,提出基于静电力原理的"类参考梁法"悬臂梁刚度测量方法。该方法可准确且便捷地测量悬臂梁刚度,并将其溯源至长度、电压、电容等国际单位(SI)。应用类参考梁法,对刚度范围在1.45~91 N/m的悬臂梁刚度进行测试,相对方差均小于0.6%,结果表明,类参考梁法具有很好的稳定性。许多因素将影响测量结果,对导致测量误差的因素进行逐一分析。类参考梁法悬臂梁刚度测量合成不确定度低于5%,表明该方法具有可行性。类参考梁法有效改善了悬臂梁刚度测试的不确定度,在AFM高精度微纳力值测量中具有重要的意义。     

扇形梳齿驱动式体硅微机械 隧道陀螺仪的设计与制备

介绍了一种利用隧道效应所具有的高位移敏感特性来获得较高灵敏度的微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪分别采用扇形梳齿驱动和面外振动悬臂梁的方式实现质量块的振动和恒隧道电流的检测。介绍了扇形梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计。由于采用了硅玻键合和深反应离子蚀刻(DRIE)的DDSOG体硅制备工艺,因而可获得较大的敏感质量块,从而使陀螺仪具有较高的灵敏度和较大的动态响应范围。根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化,仿真结果表明,该陀螺仪在常压下的灵敏度为0.007 nm(°)/s。     

A self-temperature-compensated micromechanical bridge resonator

A self-temperature-compensated micromechanical bridge resonator is designed and fabricated. The resonator comprises an electrothermal excitation/piezoresistive detection Si/SiO₂ bridge resonator and a cantilever thermometer. Both bridge and cantilever have approximately equal thickness and fabricate simultaneously with same materials by identical process. The temperature drift of bridge resonator’ resonance frequency is compensated by changing voltage applied on the Wheatstone bridge to an appropriated value determined by the output voltage of cantilever thermometer. The temperature drift of resonance frequency drops down two orders of magnitude compared with that of uncompensated resonator.     

悬臂梁单晶压电发电机的实验研究

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而随之增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻匹配时,此时的输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 时,输出电压最大可达5.4 ;当负载电阻为 时,负载与压电振子内阻匹配较好,输出功率达到最大为1.18 ,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

求解静电驱动微梁变形的数值与解析方法

给出了一种静电力作用下微悬臂梁控制方程的数值求解方法,提出了求解该模型的近似解析式和修正解析式,并采用模态叠加法计算微梁的动响应。结果表明,修正解析式、数值算法和动响应方法计算的微梁变形结果是一致的。同时也揭示了微梁振动响应周期与驱动电压成正比、动态临界电压低于静态临界电压等相关特性。     

Quantitative electron holographic tomography for the 3D characterisation of semiconductor device structures

Electron tomography and electron holography experiments have been combined to investigate the 3D electrostatic potential distribution in semiconductor devices. The experimental procedure for the acquisition and data reconstruction of holographic tilt series of silicon p-n junction specimens is described. A quantitative analysis of the experimental results from specimens of two different thicknesses is presented, revealing the 3D electrostatic potential variations arising from the presence of surfaces and damage generated by focused ion beam (FIB) sample preparation. Close to bulk-like properties are measured in the centre of the tomographic reconstruction of the specimen, revealing higher electrically active dopant concentrations compared to the measurements obtained at the specimen surfaces. A comparison of the experimental results from the different thickness specimens has revealed a 'critical' thickness for this specimen preparation method of 350nm that is required for this device structure to retain 'bulk'-like properties in the centre of the membrane.     

基于圆弧限位的压电发电装置

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理,建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比（基板与总厚度比）对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明,最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小,且存在共同的最佳厚度比（0.35）使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大;在最佳厚度比时,输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置,并进行了相关试验测试。结果表明,压电振子的最大输出电压（变形量）仅与限位圆弧半径有关,故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。     

Mass detection using capacitive resonant silicon resonator employing LC resonant circuit technique

Capacitive resonant mass sensing using a single-crystalline silicon resonator with an electrical LC oscillator was demonstrated in ambient atmosphere. Using capacitive detection method, the detectable minimum mass of 1 x 10(-14) g was obtained in the self-oscillation of cantilever with a thickness of 250 nm. The noise amplitude of the sensor output corresponds to a vibration amplitude of 0.05 nm(Hz)(0.5) in the frequency domain compared with the actuation signal, which is equivalent to the detectable minimum capacitance variation of 2.4 x 10(-21) F. Using the capacitive detection method, mass/stress induced resonance frequency shift due to the adsorption of ethanol and moist vapor in a pure N(2) gas as a carrier is successfully demonstrated. These results show the high potential of capacitive silicon resonator for high mass/stress-sensitive sensor.