新型金刚石MEMS传感器芯片：更灵敏、更可靠！

导读

近日，日本国立材料研究所领导的科研团队成功开发出一种高质量的金刚石悬臂梁，它实现了室温条件下最高的品质（Q）因子。研究小组首次在世界上成功开发出单晶金刚石 MEMS 传感器芯片。

背景

智能手机、智能手环、汽车、无人机、VR/AR 设备等一系列产品中都会有 MEMS 技术的身影。可是，或许大部分人对于 MEMS 还是比较陌生。

MEMS 是什么？

MEMS（Microelectromechanical systems）的缩写，翻译过来称为“微机电系统”，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等。这是一种尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

微机电系统芯片（图片来源：维基百科）

MEMS 是一门交叉学科，涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等学科。其学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

MEMS 技术的应用范围很广，相关产品也很丰富，例如加速度计、麦克风、微马达、微泵、微振子、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器、气体传感器、质量分析仪、扫描显微镜探针等。MEMS 传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等。

为了让大家有一个更直观更深入的理解，接下来回顾一下笔者之前介绍过的 MEMS 技术相关的科研案例：

（一）芯片实验室技术，它是微电子机械系统（MEMS）的一个子集，也称为“微全分析系统”（µTAS）。芯片实验室技术，使得试样处理到检测的整个流程，达到微型化、自动化、集成化和便携化，不仅大大节约了资源与能源，同时降低了成本，减少了污染。

（图片来源：斯坦福大学）

（二）美国能源部阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作将微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

（图片来源：美国阿贡国家实验室）

（三）美国杜克大学科研人员首次设计出由超颖材料制成的MEMS红外线发射装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，而且还可以用于废热的重新利用。

（图片来源：参考资料【2】）

今天，我们要重点关注 MEMS 传感器中的一种常见的结构：悬臂梁（cantilever）。

早期的悬臂梁是一种谐振晶体管，一种电机整体的谐振器。MEMS 悬臂梁通常由硅（Si），氮化硅（Si₃N₄）或者聚合物制成。制造工艺包括凹割悬臂结构，通常采用非等向性湿式或者干式蚀刻技术。原子力显微镜离不开悬臂梁换能器。许多科研小组都在尝试开发悬臂梁阵列作为生物传感器用于医疗诊断。MEMS 悬臂梁也可以应用于射频过滤器与谐振器。

原子力显微镜悬臂梁的扫描电镜图像（图片来源：维基百科）

一般来说，在 MEMS 传感器中，微型悬臂梁（安装在一端的悬臂）与电子电路集成在单个基底上。为了在灾害预防与医疗等更广泛的领域中应用，MEMS 传感器灵敏度与可靠性还需要进一步提升。

金刚石的弹性常数与机械常数在所有材料中是最高的，使之有望应用于高可靠性与灵敏度的 MEMS 传感器开发（特别是用于制造微型悬臂梁）。然而，因为金刚石机械硬度超高，其三维微制造难度很大。

创新

近日，日本国立材料研究所（NIMS）领导的科研团队成功开发出一种高质量的金刚石悬臂梁，它实现了室温条件下最高的品质（Q）因子。研究小组首次在世界上成功开发出单晶金刚石微机电系统（MEMS）传感器芯片，它可通过电信号致动与感测。这些成果有望普及金刚石 MEMS 的相关研究，它比现有硅 MEMS 具有明显更高的灵敏度与可靠性。

这项研究开发的金刚石 MEMS 芯片与集成到芯片中的金刚石悬臂梁的微图像。（图片来源：NIMS）

技术

这个研究小组开发了一种“智能剪切”制造方法，这种方法采用离子束对金刚石进行微处理。2010年，他们也成功制造出了一个单晶金刚石悬臂梁。然而，由于表面缺陷的存在，金刚石悬臂梁的品质因子与现有的硅悬臂梁相似。

随后，研究小组开发了一项新技术，开启了金刚石表面的原子级刻蚀。这种刻蚀技术使研究小组可移除用智能剪切法制造的单晶金刚石悬臂梁底面的缺陷。生成的悬臂梁的Q因子（用于测量悬臂梁灵敏度的参数）大于一百万，在全世界处于领先地位。

然后，研究小组构想出一个新型 MEMS 设备概念：同时集成悬臂梁、一个使悬臂梁摆动的电子电路、一个感知悬臂梁振动的电子电路。最终，研究小组开发出了一个可通过电信号致动的单晶金刚石 MEMS 芯片，并在世界上首次成功地演示了它的运作。这种芯片具有极高的性能与灵敏度，能够运行在低电压与600°C左右的温度条件下。

（图片来源：参考资料【4】）

价值

这些成果有望加速基础技术研究，这些研究对于金刚石 MEMS 芯片实际应用来说至关重要。同时，它也将促进极度灵敏、高速、紧凑、可靠的传感器开发，这些传感器能区分的质量差异轻如单个分子。

关键字

MEMS、传感器、金刚石

参考资料

【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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