开题报告 一、 选题背景和意义 近年，硅基纳米材料的研究一直受到人们的广泛关注，其中纳米硅膜nc-Si:H(Hydrogenated Nanocrystalline Silicon)的制备、结构与物性研究又是一个热门课题，这是由于nc-Si:H膜以其所具有的新颖结构特征，使它呈现出许多鲜为人知的物理性质，如室温电导率高、光热稳定性好、压阻系数大等特征[1]。nc-Si:H半导体薄膜材料作为硅材料中派生出一种新型半导体人工薄膜材料，已有的研究表明其具有的新颖物性使得其在在异质结二极管、太阳电池、薄膜晶体管、单电子晶体管等方面得到了广泛的的应用。nc-Si:H半导体薄膜新颖的物性也同样吸引了MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）领域的关注，然而其杨氏模量（弹性模量）、应变系数（也称应变灵敏系数）等参数是应用MEMS技术设计器件的必需参数和基础，测量其参数值对于薄膜器件实用化开发、器件结构的优化及性能的改进具有重大意义。半导体应变系数是表征半导体在受到力作用时其电阻相对变化与所受应变之间的关系，测量其参数值的关键也即要准确测量到电阻相对变化与应变值。
二、 选题研究的内容 （一） 题目：nc-Si：H半导体薄膜材料的应变系数与弹性模量的测量
（二） 研究重点
要求基于虚拟仪器技术，并采用相关的硬件，设计应变系数的测量方法和装置，
能准确测量到nc-Si:H半导体薄膜材料在受到力作用时电阻相对变化与应变值，从而得到应变系数大小。同时，设计合适的装置或采用合适的方法对弹性模量进行测量。半导体应变系数是表征半导体在受到力作用时其电阻相对变化与所受应变之间的关系，测量其参数值的关键也即要准确测量到电阻相对变化与应变值。
（三） 研究难点
整个课题研究的难点是在硬件方面，nc-Si:H半导体薄膜的应变系数的测量装置
的精确度至关重要。 三、 选题研究现状及综述 （一）国内外现状 对于新型材料以及新型测量仪器的研究，国内起步较晚，许多新型材料的研究都是基于国外学者的研究成果之上的，特别是参数方面的研究。因此，在国内专注于此的讨论与钻研并不是很多。相对的，国外对新型材料的研究，特别是半导体方面的钻研就较为深入了，且利用各种先进仪器学者们思考出了各种测量方法。
（二）文献综述
写者发现国内此类研究文献比较少，大部分是国外学者的文献。经过几周的仔细
阅读，写者大致能从中分出下面几类测量方法。
1. 碳纤维式测量应变系数
图1.测量碳纤维应变系数的实验设备
J.K.Kim在《Measurement of the gauge factor of carbon fiber and its application to sensors》中提出了一种测量碳纤维应变系数的方法。 如图1是测量碳纤维应变系数的实验设备，在此写者只大概描述有关应变系数测量方法，有关碳纤维的其他信息详见参考[2]。图中，利用微型镊子将碳纤维的一端放在铝电极上。然后再使铝蒸发一部分，从而减小碳纤维与电极之间的连接电阻。微操作机器人使用一个导电探针对碳纤维的自由端施加一定的应力。由施加应力显示出的弯曲特性通过CCD摄像机观察。
图2.碳纤维电阻随长度增长发生的变化
如图1所示，在各种应力下的碳纤维的电性能通过电源电表测量出来，可以观察到关于碳纤维长度导致的电阻的线性增长。实验结果与模拟结果相比较，可以确定作用在碳纤维上的应力强度和碳纤维的最大应变。通过比较这些结果，碳纤维的应变系数也可以估计出来。常规方程/KRRe（其中，R是因为长度的变化而导致的电阻的变化，e是元素；R是原电阻）可以用来计算应变系数。
此方案在数据处理上方便准确快捷，但鉴于此方案适用于碳纤维这类微细物质材料应变系数的测量，其在半导体薄膜上的适用度比较小，而且如图1的实验设备较昂贵，不够经济。
2. 光纤布拉格光栅测量应变系数 J.-G. Liu在《Dynamic strain measurement with a fibre Bragg grating sensor system》中提到一种利用光纤布拉格光栅测量应变系数的方法。如图3所示为光纤布拉格光栅系统的示意图。
图3.光纤布拉格光栅系统的示意图
图3实际是获得地下岩石动态应变信号的实验装置，其测量方法也可以用来参考。图3中，一束3-dBm的激光（波长为1548.75~1551.25nm），以优化过的波长发一个光信号，光信号通过光纤光循环器投射到光纤布拉格光栅上。一部分光信号从布拉格光栅反射回来，回到循环器中被探测器接收到，再被转化成电信号。电信号经过放大器放大，通过示波器采样。最终，采样信号送入PC系统处理。其中被反射回来的光信号的强度与布拉格光栅的波长有关，而光栅的波长与光栅的应变有关。所以，从反射回来的光信号所得的强度变化测量可以获得动态应变。详细的有关应变计算的描述见[3]。
此装置测出应变，要想测得应变系数，还需搭建电桥，测得∆R/R，此为后期处理。参考[4]，Hongbo Zou描述了一种波长耦合的光纤布拉格光栅传感系统测量动态应变和静态应变。
光纤光栅优点是显著的，它抗电磁干扰，电绝缘性能好，安全可靠。但也有其不足之处。第一，光纤光栅是以光栅的波长作为传感媒介，通过波长漂移来感知外界物理参量的变化，欲加宽测量范围就必须采用宽带光源，而欲提高分辨率就必须压窄反射线宽（这就大降低了宽光源的功率利用率），这样就要求在光纤光栅传感应用系统中，必须采用宽带大功率光源，才能提高系统的信噪比，实现可靠的信号检测；第二，对外界物理参量变化的直接表现形式是波长漂移，所以欲提高检测灵敏度和分辨率就必须采用高性能的单色仪或光谱仪，这样一来，势必增加整个系统的造价，降低其实用性。
3. 四点弯曲测量法 四点弯曲测量法在测量领域中应用广泛，大量研究将其有效用于薄膜的应变测量，参考[5-11]中均有描述。
图4.四点弯曲夹具图解
将用来做实验的薄膜放在四点弯曲夹具中（如图PEDT Resistor的位置）。这样，薄膜将有一个纯弯矩，这将使薄膜受到均匀应力。向上部的两个刀身施力，致使薄膜按对底部的刀身，这就使得在沿薄膜的长度轴上，上部的两个刀片之间受到均匀应力。薄膜受到的轴向压力可以由下列公式得到：
23xFlwt (1)
其中，F是施加在刀身2，3上的力，l是刀身1和2之间的距离，w是薄膜的宽度，t是薄膜的厚度，负号表示梁表面受到的是压力。
再由下述公式得到应变： xE
(2)
其中E是弹性模量。
图5.四点弯曲夹具实图
a. 两点测量
为了得到薄膜的应变系数，则要进行了一系列的测量。我们将160Mpa的拉应力间替作用于薄膜，即两分钟不施力，接着的两分钟施力，再下面的两分钟又不施力，如此循环。进行了两个完整的周期，图6显示的是测量出的电阻R随着时间而发生变化的情况。彩色区域显示的是有拉力施于薄膜时的情况，而在无色区域则显示的是没有拉力施于薄膜时的情况。从图6可以清晰地看出，当对薄膜施加拉力时，薄膜电阻值下降。根据胡克定律以及公式，/RRK（其中ε是应变），可以计算出薄膜的应变系数。
图6.循环应力作用下电阻的变化
b. 四点测量 将一定恒流通过聚苯胺薄膜，当对薄膜施加压力时，对下降的电压进行监测。在一次循环中，施加的应力分10个步骤从0升到一定值，再回到0Mpa，完成三个完整的循环。图7显示的是关于应变ε的函数--电阻的相对变化，/RR。根据公式/RRK，我们可以发现曲线的斜率即为应变系数。
图7.电阻值变化与应变曲线
经过比较，四点弯曲测量无论在实验情况和经济情况上都具有明显优势。写者较偏向于此方法，在以后的实验中将以此为基础。
4. 其他方法 a.3D数码影像相关技术测量应变
E.Verhulp在[12]中用3D数码影像相关技术测量非封闭结构物体的应变，如松质骨。此种技术需要利用高分辨率的计算机断层扫描图像来测量这种结构物体的位移。此类方案不仅使用的设备昂贵，而且显然不适用于薄膜的应变研究。
b.3D扫描仪测量动态应变
C. Vuye在参考[13]中用3D多普勒扫描仪测量叶轮的动态应变，此方案缺点同上，故不予详细介绍。 四、 研究方案及思路 在测试纳米硅薄膜的应变系数实验中，采用4片应变片分别粘贴在梁的两内支点之间的上下表面构成全桥桥路，并通过National Instruments公司生产的带有负载端电压采样和分流校准误差消除机制的±25 mV/V、24位的半桥/全桥同步电桥模块NI9237对桥路供压，并同时对桥路的应变进行采集从而输入电脑之中，而纳米硅薄膜的电阻变化接入四分之一桥，通过万用表Aligent 34410A采集电压与电脑连接。
图8.总体结构图 五、 研究计划 起 讫 日 期 工 作 内 容 2.20～3.4
3.5～3.18 3.19～4.22 4.23～4.29 4.30～5.27 5.28～6.3
6.4～6.10
明确任务，收集相关文献资料，初步拟出总体方案，提交文献综述报告，并进行外文翻译，（2周）
外出调研，撰写调研报告，并提交外文翻译（2周）
进行理论研究和整体系统构思，并进行设计方案论证（5周）
毕业设计中期检查（1周） 硬件调试，软件编写。（4周） 系统整体调试和仿真，提出改进建议和未来研究方向（1周）
编写毕业设计说明书，即大论文，并进行论文修改；同时进行资料总结，打印，归档，准备毕业设计答辩（1周）