微加工技术突破超高灵敏度金刚石悬臂MEMS芯片诞生

2018-12-27 09:44

显微照片展示了金刚石MEMS芯片和集成到芯片中的一个金刚石悬臂

据麦姆斯咨询报道，由日本国立材料研究所（National Institute for Materials Science， NIMS）领导的一支研究小组成功开发出一种高品质因素金刚石悬臂，在室温下具有前所未有的最高品质因素（Q）。该团队还全球首次成功开发出可以通过电信号驱动和传感的单晶金刚石MEMS传感器芯片。这些研究成果将推动业界对金刚石MEMS的研究，其灵敏度和可靠性明显高于现有的硅MEMS器件。

在MEMS传感器中，微观悬臂（仅固定一端的悬臂梁）和电子电路集成在单个基板上，它们已用于气体传感器、物质分析和扫描显微镜探针。然而，对于防灾和医疗等更广泛领域的实际应用，它们需要更高的灵敏度和可靠性。

金刚石的弹性常数和机械常数是所有材料中最高的，因此有望用于高可靠性、高灵敏度MEMS传感器的开发。然而，由于其机械硬度高，金刚石的三维微加工非常困难。

2010年，该研究小组开发了一种被称为“智能切割（smart cut）”的制造方法，该方法使用离子束对金刚石进行微处理，成功制造出一种单晶金刚石悬臂。然而，由于表面缺陷问题，这种金刚石悬臂的品质因数与现有的硅悬臂相比没有优势。

该研究小组随后开发了一种新技术，可以对金刚石表面进行原子级蚀刻。新的蚀刻技术使研究小组能够去除使用智能切割方法制造的单晶金刚石悬臂底表面上的缺陷。新技术制造的悬臂表现出的Q值（一种用于测量悬臂灵敏度的参数）超过了100万，达到了全球最高水平。

该研究小组定义了一种新的MEMS器件概念：同步集成悬臂、振荡悬臂的电子电路和感应悬臂振动的电子电路。最终，该小组开发出一种可以通过电信号驱动的单晶金刚石MEMS芯片，并首次成功展示了其运行情况。该芯片展现了极高的性能和灵敏度，可在低电压和高达600℃的温度下工作。

这些研究成果可以加速对金刚石MEMS芯片实际应用至关重要的基础研究，开发能够区分单个分子质量差异的超高灵敏度、高速、紧凑和可靠的传感器。

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