سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS)
سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS) در جوامع علمی و تکنیکی مورد توجه
زیادی بوده اند. این دسته از سیستم ها که بسیار شبیه به سیستم های
میکروالکترومکانیک هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در
سابمیکرون عمیق عمل می کنند. سیستم در این محدوده، دارای فرکانس های
رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛
ضریب کیفیت تشدید این سیستم در رنج Q lo3-105
بسیار بالاتر از دسته دیگر مدارهای تشدیدی الکتریکی می باشند. این سیستم در
NEMS برای دسته بسیاری از کاربردهای تکنولوژی مانند سنسور فراسریع، دستگاه
راه اندازی، و اجزای پردازش سیگنال مهیا می سازد.
به طور آزمایشی از NEMS انتظار می رود که امکان تحقیق بر فرآیندهای
مکانیکی متعادل فونون و واکنش کوانتوم سیستم های مکانیکی مزوسکوپیک را
فراهم آورد. با وجود این، هنوز چالش های ریشه ای و تکنولوژیکی برای بهینه
سازی NEMS وجود دارد. در این بررسی ما باید مروری بر چشم اندازها و چالش ها
در این زمینه یک معرفی متعادل از NEMS را ارائه داده و کاربردهای جالب و
آشکارسازی الکترومکانیک را به تصویر می کشیم.
سیستم های نانو الکترومکانیکی (NEMS)، تشدید گرهای مکانیکی با مقیاس
نانو – به – میکرو متر می باشند که به ابزار الکترونیکی دارای ابعاد مشابه
وصل می شوند. NEMS نوید میکروسکوپ نیروی فراحساس سریع و عمیق شدن فهم ما از
چگونگی پیدایش دینامیک کلاسیک با نزدیک شدن به دینامیک کوانتوم می باشد.
این پژوهش با یک بررسی از NEMS شروع شده و پس از جنبه های خاص دینامیک
کلاسیک آنها را توصیف می کند. مخصوصاً، نشان می دهیم که برای اتصال ضعیف،
عمل ابزار الکترونیکی روی تشدیدگرمکانیکی می تواند به طور مؤثر، یک حمام
حرارتی باشد در حالیکه ابزار، یک محرک خارج از تعادل سیستم باشد.
1- مقدمه:
محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میکروالکترونیک مدت هاست که
کنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میکروسکوپی را انجام داده
اند که این عناصر مکانیکی و مدارهای میکروالکترونیکی که آن ها را کنترل می
کنند را به طور کل سیستم های میکروالکترومکانیک یا MEMS خوانده اند. در
تکنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تکنولوژی مدرن مانند باز و بسته
کردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الکتریسیته و یا
جریان نور بکار گرفته می شود. امروزه کمپانی های متعددی از غول های نیمه
هادی گرفته تا راه اندازی های کوچک می خواهند ابزار MEMS را برای طیف
گسترده ای از مشتریان تولید کنند. با تکنولوژی میکروالکترونیک که هم اکنون
تا حد ریز میکرون پیش رفته است زمان آن رسیده که کشفیات متمرکز NEMS را
آغاز کنیم.
شکل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت کلی آن
را مطرح می کند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای
نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدکه نقطة مخالف میکروماشین بالک
MEMS می باشد این تکنیک ها برای سیلکون بر ساختارهای عایق، گالیوم آرسناید
روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، کاربید سیلکون برسیلیکون، نیترید
آلومینوم بر سیلیکون، لایه های الماس نانو بلوری و لایه های نیترید سیلکون
نامنظم بکار گرفته می شود. اکثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد که
با کنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد کرده اند.
این قسمت دوم (کیفیت کنترل لایه ای) کنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح
تک لایه ای را کنترل می کند. این مقوله کاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی
لیتوگرافی پرتوالکترونی است که به مقیاس اتمی نزدیک می شود.
NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری
را که غیر پیش بینی است را فراهم می کنند؛ فرکانس های مقاومت تشدیدی در
میکرویو، ضریب کیفیت مکانیکی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram،
ظرفیت گرمایی پایین تر از یوکتوکالری و ...
...
2– ویژگی های NEMS:
1-2 NEMS به عنوان ابزارات الکترومکانیک چند قطبی.
تصویر شماره 2 وسیله الکترومکانیکی چندقطبی کلی را نشان می دهد که در آن
مبدل های الکترومکانیکی محرک مکانیک ورودی را برای سیستم فراهم کرده و
پاسخ مکانیکی اش را مورد مطالعه قرار می دهند. در قطب های کنترل اضافی،
سیگنال های الکتریکی، به ظاهر استاتیک و متغیر زمانی می تواند بکار گرفته
شود و نتیجتا با کنترل مبدل ها به نیروهایی برای برهم زدن ویژگی های عنصر
مکانیکی تبدیل می شود.
ابزارات NEMS تصاویر کلی توصیف شده در بالا را ارائه می دهد. ما بعدا می
توانیم NEMS های موجود را به دو دسته تشدیدشده و ظاهرا استاتیک تقسیم
کنیم.
شکل 3- نمودار معرفی وسایل الکترومکانیکی چند ترمینالی
تصویر 2 a) تقطیق ریز نگار الکترون از Sic NEMS . این اولین خانواده از
ریز میکرون دو پرتو کنارهم که فرکانس های تشدیدی موجی بنیادین آن از دو تا
134 مگاهرتز نمایش داده می شود. آنها با الگوها در تکنولوژی کالری از C-Sic
3 بودند که 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 یک زیر لایه (پائین). II) ابتدا ماسک از طریق پرتو لیتوگرافی
الکترون تعیین می شود. III) سپس به طور نمونه در لایه از دست داده با
استفاده از سیاه کردن یک ناهمسانگر مانند سیاه کردن 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 کاری شود.
در این بازنگری توجه ما در ابتدا بر ابزارات تشدید به عنوان ابتدایی
ترین کاربردهای NEMS می باشد مبدل های ورودی در NEMS های تشدیدی، انرژی
الکتریکی را با تحریک کردن حالت های تشدیدی عنصر مکانیکی به انرژی مکانیکی
تبدیل می کنند. پاسخ مکانیکی که جابه جایی عنصر نامیده می شود به سینگنال
های الکتریکی بازگردانده می شود. در این حالت تشدید عملیات اختلالات خارجی
می تواند به عنوان سینگنال های کنترلی مورد نظر قرار گیرد چرا که آن ها
ویژگی های ارتعاشی چون شدت فرکانس π ωo/2 یا Q عنصر ارتعاشی را توصیف می
کنند. ماباید مکانیسم های تبدیل های الکترومکانیکی در NEMS را مورد بحث و
بررسی قرار داده وبرای اندازه گیری اختلال خارجی که در بخش چهار مورد
مطالعه قرار می گیرد مثال بیاوریم.
