مقاله سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS)

سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS)

سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS) در جوامع علمی و تكنیكی مورد توجه زیادی بوده اند. این دسته از سیستم ها كه بسیار شبیه به سیستم های میكروالكترومكانیك هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در سابمیكرون عمیق عمل می كنند. سیستم در این محدوده، دارای فركانس های رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛ ضریب كیفیت تشدید این سیستم در رنج Q  lo³-10⁵ بسیار بالاتر از دسته دیگر مدارهای تشدیدی الكتریكی می باشند. این سیستم در NEMS برای دسته بسیاری از كاربردهای تكنولوژی مانند سنسور فراسریع، دستگاه راه اندازی، و اجزای پردازش سیگنال مهیا می سازد.

به طور آزمایشی از NEMS انتظار می رود كه امكان تحقیق بر فرآیندهای مكانیكی متعادل فونون و واكنش كوانتوم سیستم های مكانیكی مزوسكوپیك را فراهم آورد. با وجود این، هنوز چالش های ریشه ای و تكنولوژیكی برای بهینه سازی NEMS وجود دارد. در این بررسی ما باید مروری بر چشم اندازها و چالش ها در این زمینه یك معرفی متعادل از NEMS را ارائه داده و كاربردهای جالب و آشكارسازی الكترومكانیك را به تصویر می كشیم.

سیستم های نانو الكترومكانیكی (NEMS)، تشدید گرهای مكانیكی با مقیاس نانو – به – میكرو متر می باشند كه به ابزار الكترونیكی دارای ابعاد مشابه وصل می شوند. NEMS نوید میكروسكوپ نیروی فراحساس سریع و عمیق شدن فهم ما از چگونگی پیدایش دینامیك كلاسیك با نزدیك شدن به دینامیك كوانتوم می باشد. این پژوهش با یك بررسی از NEMS شروع شده و پس از جنبه های خاص دینامیك كلاسیك آنها را توصیف می كند. مخصوصاً، نشان می دهیم كه برای اتصال ضعیف، عمل ابزار الكترونیكی روی تشدیدگرمكانیكی می تواند به طور مؤثر، یك حمام حرارتی باشد در حالیكه ابزار، یك محرك خارج از تعادل سیستم باشد.

1- مقدمه:

محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میكروالكترونیك مدت هاست كه كنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میكروسكوپی را انجام داده اند كه این عناصر مكانیكی و مدارهای میكروالكترونیكی كه آن ها را كنترل می كنند را به طور كل سیستم های میكروالكترومكانیك یا MEMS خوانده اند. در تكنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تكنولوژی مدرن مانند باز و بسته كردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الكتریسیته و یا جریان نور بكار گرفته می شود. امروزه كمپانی های متعددی از غول های نیمه هادی گرفته تا راه اندازی های كوچك می خواهند ابزار MEMS را برای طیف گسترده ای از مشتریان تولید كنند. با تكنولوژی میكروالكترونیك كه هم اكنون تا حد ریز میكرون پیش رفته است زمان آن رسیده كه كشفیات متمركز NEMS را آغاز كنیم.

شكل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت كلی آن را مطرح می كند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدكه نقطة مخالف میكروماشین بالك MEMS می باشد این تكنیك ها برای سیلكون بر ساختارهای عایق،  گالیوم آرسناید روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، كاربید سیلكون برسیلیكون، نیترید آلومینوم بر سیلیكون، لایه های الماس نانو بلوری و لایه های نیترید سیلكون نامنظم بكار گرفته می شود. اكثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد كه با كنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد كرده اند.

این قسمت دوم (كیفیت كنترل لایه ای) كنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح تك لایه ای را كنترل می كند. این مقوله كاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی لیتوگرافی  پرتوالكترونی است كه به مقیاس اتمی نزدیك می شود.

NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری را كه غیر پیش بینی است را فراهم می كنند؛ فركانس های مقاومت تشدیدی در میكرویو، ضریب كیفیت مكانیكی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram، ظرفیت گرمایی پایین تر از یوكتوكالری و ...

...

2– ویژگی های NEMS: 

1-2 NEMS به عنوان ابزارات الكترومكانیك چند قطبی.

تصویر شماره 2 وسیله الكترومكانیكی چندقطبی كلی را نشان می دهد كه در آن مبدل های  الكترومكانیكی  محرك  مكانیك ورودی را برای سیستم فراهم كرده و  پاسخ مكانیكی اش را مورد مطالعه قرار می دهند. در قطب های كنترل اضافی، سیگنال های الكتریكی، به ظاهر استاتیك و متغیر زمانی می تواند بكار گرفته شود و نتیجتا با كنترل مبدل ها به نیروهایی برای برهم زدن ویژگی های عنصر مكانیكی تبدیل می شود.

ابزارات NEMS تصاویر كلی توصیف شده در بالا را ارائه می دهد. ما بعدا می توانیم NEMS های موجود را به دو دسته تشدیدشده و ظاهرا استاتیك تقسیم كنیم.

شكل 3- نمودار معرفی وسایل الكترومكانیكی چند ترمینالی

تصویر 2 a) تقطیق ریز نگار الكترون از Sic NEMS . این اولین خانواده از ریز میكرون دو پرتو كنارهم كه فركانس های تشدیدی موجی بنیادین آن از دو تا 134 مگاهرتز نمایش داده می شود. آنها با الگوها در تكنولوژی كالری از C-Sic 3 بودند كه لایه های epi به حالت دانشگاه غربی اختصاص داده شد. b) سطح نانو ماشین NEMS ساخت آن به غیر از ساختمان نیمه هادی شروع شد. از چنین واحد نشان داده شده در I) با ساختمانی (بلند) از دست دادن (وسط) لایه های روی سر یك زیر لایه (پائین). II) ابتدا ماسك از طریق پرتو لیتوگرافی الكترون تعیین می شود. III) سپس به طور نمونه در لایه از دست داده با استفاده از سیاه كردن یك ناهمسانگر مانند سیاه كردن پلاسما  IV) سرانجام لایه از دست داده شده تحت ساختمان با استفاده از سیاه انتخابی رفع می شود. ساختمان   می تواند بعد یا در مدت فرایند وابسته به نیازمندیهای سنجش مخصوص فلز كاری شود.

در این بازنگری توجه ما در ابتدا بر ابزارات تشدید به عنوان ابتدایی ترین كاربردهای NEMS می باشد مبدل های ورودی در NEMS های تشدیدی، انرژی الكتریكی را با تحریك كردن حالت های تشدیدی عنصر مكانیكی به انرژی مكانیكی تبدیل می كنند. پاسخ مكانیكی كه جابه جایی عنصر نامیده می شود به سینگنال های الكتریكی بازگردانده می شود. در این حالت تشدید عملیات اختلالات خارجی می تواند به عنوان سینگنال های كنترلی مورد نظر قرار گیرد چرا كه آن ها ویژگی های ارتعاشی چون شدت فركانس π ωo/2 یا Q عنصر ارتعاشی را توصیف می كنند. ماباید مكانیسم های تبدیل های الكترومكانیكی در NEMS را مورد بحث و بررسی قرار داده وبرای اندازه گیری اختلال خارجی كه در بخش چهار مورد مطالعه قرار می گیرد مثال بیاوریم.