一种基于AFM的高频谐振子的谐振频率和/或品质因子测量方法，包括：将谐振子器件放于压电陶瓷上，将激励信号加到压电陶瓷上；将压电陶瓷及谐振子器件放于AFM样品台上，扫描谐振子以确定探针在器件表面位置，然后将探针精确定位于谐振子振幅较大的结构上；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，等待激励进入稳定状态；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；改变探针位置到谐振子附近区域，得到器件在谐振子附近的振动位移；将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；以及处理得到的数据，得到谐振子的谐振频率和/或品质因数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
纳电子机械系统(Nanoelectromechanical systems, 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。
技术实现思路
本专利技术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专利技术及其优势，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不意图。【具体实施方式】根据结合附图对本专利技术示例性实施例的以下详细描述，本专利技术的其它方面、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。然后，将压电陶瓷2以及谐振子器件1放于AFM样品台上，调整好AFM扫描参数，轻敲模式下针以免破坏器件结构，并扫描谐振子区域的三维形貌，并记录探针与谐振子的相对位置，缩小范围之后将探针定位于谐振子的振幅较大结构处，如图2中的A点所示。将激励信号源3的频率定于预先估计的谐振子谐振频率处。压电陶瓷将在激励信号的驱动下在特定频率下振动，同时激励谐振子振动。待被测梁进入激励稳定状态后，将激励源3改为在估计谐振频率附近区域扫描。当探针定位于谐振结构上，并且AFM处于工作状态时，探针与谐振子靠近并相互作用。同时，通过AFM(例如二维扫描、力曲线)记录下一系列频率下谐振子振动的最大幅度点。为了避免压电陶瓷在不同频率下不同振幅对测量结果造成的不必要影响，有必要再次测量该系列频率下压电陶瓷的振幅。更改探针位置使其在谐振子附近区域下针并对之前测试的频率再次测试，记录保存。例如，再次测量谐振子结构附近振动位移，例如图2中B点所示。最后，通过计算两次扫描测得的振动位移的差值，即可得到该频率下谐振子的振动结构净振幅。将不同频率下谐振子的振幅进行整理，得到频率-振幅曲线，曲线峰值即为谐振子最大振幅，对应频率即为谐振子谐振频率。通过频率-振幅曲线，可计算得到谐振子品质因数。具体实施测量步骤如下:1.将谐振子器件放于压电陶瓷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。2.通过信号发生器产生激励信号，经过放大器加载到压电陶瓷上，足够大的电压激励压电陶瓷，使其在固定频率下产生较大振幅并激励谐振子振动，如图1所示。3.将压电陶瓷以及谐振子器件放于AFM样品台上，调整AFM参数，轻敲模式下针避免破坏器件结构，扫描谐振子区域的三维形貌，得到器件谐振子形貌以及探针位置。4.调整AFM探针位置，将探针精确定位于谐振子结构振幅较大位置处，如图2中A点所示。5.将激励信号源的频率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。6.调整激励源进入频率扫描模式，设置每次频率变化间隔时间需大于AFM探针单次扫描时间。7.开启AFM探针扫描得到不同频率下该点处振动总位移。8.改变探针位置到非谐振子振动区域，例如图2中B点所示，设置频率扫描不变，并再次利用AFM测得该处振动位移。9.处理得到的数据，将7、8步测得的同频率下的位移相减，得到谐振子的净振幅，绘制频率-振幅图，如图3所示，10.根据谐振子的频率-振幅图，得到谐振子的谐振频率，并计算得到谐振子的品质因数。根据本专利技术实施例的测量方法具有如下一个或多个优点:1.本方法是一种非破坏测量方法，测量过程中不会破坏纳米尺度结构。2.本方法是一种快速测量，这是基于原子力学显微镜的快速测量方式。3.本方法具有高灵敏度，这是基于原子力显微镜纳米级的高测量精度。4.本方法测量频率可从几百赫兹到GHZ，理论上对频率上限没有限制。5.本方法测量可以得到谐振子振动的净振幅，同时谐振子的品质因数。尽管已经参照本专利技术的特定示例性实施例示出并本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，经过放大器加载到压电陶瓷上；步骤2：将压电陶瓷以及谐振子器件放于AFM样品台上，扫描谐振子以确定探针在器件表面位置，然后将探针精确定位于谐振子振幅较大的结构上；步骤3：将激励信号源的频率设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附近区域，重复步骤4得到器件在谐振子附近的振动位移；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；以及步骤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/或品质因数。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘杨，张明亮，王晓东，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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