硅纳机电传感结构巨压阻调控模型构建与实验研究

The sensitivity of the sensor can be significantly improved by using giant piezoresistance effect of the silicon nanostructures,however,the mechanism of giant piezoresistance effect has not yet been thoroughly studied.The project intends to adopt the combined technology of first-principles calculations, k.p perturbation theory and experimental measurements to quantitatively analyze the intrinsic relationship among interface defect states of nanoscale silicon-silicon dioxide, stress and impurity concentrations for studying the giant piezoresistive characteristics of silicon nanostructures. In order to provide the experimental parameters for theoretical analysis and compare the results, we will manufacture nanoscale silicon sensor test array, and improve the preparation process, especially the consistency and reproducibility of the interface treatment process.Prominent research topics include revealing the mechanism of giant piezoresistance of silicon electromechanical sensing structure,establishing the fast optimization algorithm and then building the high efficiency micro piezoresistive model,and ascertaining the amplification principle of silicon nanoelectromechanical sensing structure sensitivity and noise mechanism. The advantages of this giant piezoresistive regulation model include: (1) rapid quantitative description of the piezoresistive characteristics of several to several hundred nm thick silicon nanoelectromechanical sensing structure; (2) the characteristic parameter is introduced to reflect the overall performance of the silicon nanoelectromechanical sensing structure，and provide a theoretical basis for the development of ultra-high sensitivity silicon nanoelectromechanical giant piezoresistive sensing structure.

利用纳米尺度硅的巨压阻效应有望显著提高传感器的灵敏度，然而巨压阻效应机理尚未获得透彻的研究。本项目拟采用第一性原理计算、k.p微扰理论模拟和实验测量验证相结合的技术，通过定量求解纳米尺度硅-二氧化硅界面缺陷态、应力、杂质浓度三者的内在关系来研究硅纳米结构的巨压阻特性。为给理论分析提供实验参数与结果对比，拟试制纳米尺度硅传感阵列测试结构，提高制备工艺，尤其是界面处理工艺的一致性和重复性。主要研究内容包括：揭示硅纳机电传感结构巨压阻机理；确立快速优化算法构建高效率微观巨压阻理论模型；探明硅纳机电传感结构灵敏度放大原理和噪声机制。拟提出的巨压阻调控模型的优势包括：（1）可对纳米到百纳米量级厚的硅纳机电传感结构的压阻特性进行快速的定量描述；（2）引入了反映硅纳机电传感结构整体性能的特征参数，为研制超高灵敏度的硅纳机电巨压阻传感结构提供理论依据。

近些年来，硅纳米结构所凸显出的巨压阻效应为开发用于超微量检测的超灵敏度硅纳机电力敏传感器开辟了新的途径。本项目结合微观理论建模、第一性原理与分子动力学仿真以及实验测量验证等方法对硅纳米巨压阻传感结构的工作机理及其压力芯片性能与数据融合补偿进行了系统深入的研究。主要研究工作与成果总结如下：（1）基于Keating价键理论建立了描述硅纳米传感结构力学特性的半连续原子晶格力学模型，结合分子动力学对缺陷硅纳米线的力学性质进行了模拟仿真，并开展了力学相关的实验测试研究，揭示了硅纳米材料杨氏模量变化的物理机制。（2）结合离散化的k.p微扰理论和泊松方程构建了高效的硅纳机电巨压阻传感结构的微观压阻模型，利用第一性原理方法对Si/SiO2和Si/HfO2界面、高界面态材料BaHfO3以及硅纳米线进行了一系列的相关理论计算研究，揭示了硅纳机电结构巨压阻特性的产生机理。（3）研究了硅纳米线巨压阻传感结构的制备工艺与硅纳米结构压阻系数的测试方法，并开展了基于硅纳米线的NEMS传感器的微观优化设计理论研究和相应的硅纳米压力芯片制作实验研究。（4）开展了硅纳米线传感结构应用研究，利用神经网络数据融合算法进行了传感器的温度误差补偿，提高了纳米压阻传感器的测量精度和稳定性。（5）在项目资助下，对气象温湿度传感器进行了探索性的研究。基于流体动力学（CFD）和神经网络算法研究解决了太阳辐射加热效应对气象温湿度传感器的影响问题。通过上述研究，课题取得了有价值的基础理论和实用技术，为高性能NEMS力敏传感器的研发提供了理论与实践基础。在项目研究过程中，发表论文17篇，其中第一作者和通讯作者SCI论文4篇，第一发明人授权国家发明专利3项、授权实用新型专利10项，软件著作权登记7项。