新型金剛石MEMS感測器晶元：更靈敏、更可靠！

導讀

近日，日本國立材料研究所領導的科研團隊成功開發出一種高質量的金剛石懸臂樑，它實現了室溫條件下最高的品質（Q）因子。研究小組首次在世界上成功開發出單晶金剛石 MEMS 感測器晶元。

背景

智能手機、智能手環、汽車、無人機、VR/AR 設備等一系列產品中都會有 MEMS 技術的身影。可是，或許大部分人對於 MEMS 還是比較陌生。

MEMS 是什麼？

MEMS（Microelectromechanical systems）的縮寫，翻譯過來稱為「微機電系統」，也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等。這是一種尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。

微機電系統晶元（圖片來源：維基百科）

MEMS 是一門交叉學科，涉及微加工技術，機械學/固體聲波理論，熱流理論，電子學，生物學等學科。其學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。

MEMS 技術的應用範圍很廣，相關產品也很豐富，例如加速度計、麥克風、微馬達、微泵、微振子、光學感測器、壓力感測器、陀螺儀、濕度感測器、氣體感測器、質量分析儀、掃描顯微鏡探針等。MEMS 感測器主要優點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易於集成等。

為了讓大家有一個更直觀更深入的理解，接下來回顧一下筆者之前介紹過的 MEMS 技術相關的科研案例：

（一）晶元實驗室技術，它是微電子機械系統（MEMS）的一個子集，也稱為「微全分析系統」（μTAS）。晶元實驗室技術，使得試樣處理到檢測的整個流程，達到微型化、自動化、集成化和便攜化，不僅大大節約了資源與能源，同時降低了成本，減少了污染。

（圖片來源：斯坦福大學）

（二）美國能源部阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作將微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地製造出位於MEMS平台頂層之上的超透鏡。

（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）

（三）美國杜克大學科研人員首次設計出由超穎材料製成的MEMS紅外線發射裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，而且還可以用於廢熱的重新利用。

（圖片來源：參考資料【2】）

今天，我們要重點關注 MEMS 感測器中的一種常見的結構：懸臂樑（cantilever）。

早期的懸臂樑是一種諧振晶體管，一種電機整體的諧振器。MEMS 懸臂樑通常由硅（Si），氮化硅（Si3N4）或者聚合物製成。製造工藝包括凹割懸臂結構，通常採用非等向性濕式或者乾式蝕刻技術。原子力顯微鏡離不開懸臂樑換能器。許多科研小組都在嘗試開發懸臂樑陣列作為生物感測器用於醫療診斷。MEMS 懸臂樑也可以應用於射頻過濾器與諧振器。

原子力顯微鏡懸臂樑的掃描電鏡圖像（圖片來源：維基百科）

一般來說，在 MEMS 感測器中，微型懸臂樑（安裝在一端的懸臂）與電子電路集成在單個基底上。為了在災害預防與醫療等更廣泛的領域中應用，MEMS 感測器靈敏度與可靠性還需要進一步提升。

金剛石的彈性常數與機械常數在所有材料中是最高的，使之有望應用於高可靠性與靈敏度的 MEMS 感測器開發（特別是用於製造微型懸臂樑）。然而，因為金剛石機械硬度超高，其三維微製造難度很大。

創新

近日，日本國立材料研究所（NIMS）領導的科研團隊成功開發出一種高質量的金剛石懸臂樑，它實現了室溫條件下最高的品質（Q）因子。研究小組首次在世界上成功開發出單晶金剛石微機電系統（MEMS）感測器晶元，它可通過電信號致動與感測。這些成果有望普及金剛石 MEMS 的相關研究，它比現有硅 MEMS 具有明顯更高的靈敏度與可靠性。

這項研究開發的金剛石 MEMS 晶元與集成到晶元中的金剛石懸臂樑的微圖像。（圖片來源：NIMS）

技術

這個研究小組開發了一種「智能剪切」製造方法，這種方法採用離子束對金剛石進行微處理。2010年，他們也成功製造出了一個單晶金剛石懸臂樑。然而，由於表面缺陷的存在，金剛石懸臂樑的品質因子與現有的硅懸臂樑相似。

隨後，研究小組開發了一項新技術，開啟了金剛石表面的原子級刻蝕。這種刻蝕技術使研究小組可移除用智能剪切法製造的單晶金剛石懸臂樑底面的缺陷。生成的懸臂樑的Q因子（用於測量懸臂樑靈敏度的參數）大於一百萬，在全世界處於領先地位。

然後，研究小組構想出一個新型 MEMS 設備概念：同時集成懸臂樑、一個使懸臂樑擺動的電子電路、一個感知懸臂樑振動的電子電路。最終，研究小組開發出了一個可通過電信號致動的單晶金剛石 MEMS 晶元，並在世界上首次成功地演示了它的運作。這種晶元具有極高的性能與靈敏度，能夠運行在低電壓與600°C左右的溫度條件下。

（圖片來源：參考資料【4】）

價值

這些成果有望加速基礎技術研究，這些研究對於金剛石 MEMS 晶元實際應用來說至關重要。同時，它也將促進極度靈敏、高速、緊湊、可靠的感測器開發，這些感測器能區分的質量差異輕如單個分子。

關鍵字

MEMS、感測器、金剛石

參考資料

【1】https://www.nims.go.jp/eng/news/press/2018/10/201810300.html

【2】X. Liu, W.J. Padilla, 「Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,」 Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017).

DOI: 10.1364/optica.4.000430

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Cantilevers

【4】Haihua Wu, Liwen Sang, Yumeng Li, Tokuyuki Teraji, Tiefu Li, Masataka Imura, Jianqiang You, Yasuo Koide, Masaya Toda, Meiyong Liao. Reducing intrinsic energy dissipation in diamond-on-diamond mechanical resonators toward one million quality factor. Physical Review Materials, 2018; 2 (9) DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.090601

【5】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201800325

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