NIMS最新研究：基于超高质量金刚石悬臂梁的MEMS传感器芯片的研制取得新突破

近期，一个由日本国立材料研究所（NIMS）领导的研究小组成功地研制出一种高质量的金刚石悬臂，在室温下具有最高的质量（Q）因子值。该小组还首次在世界上成功开发出能够由电信号驱动和感测的单晶金刚石微电子机械系统（MEMS）传感器芯片。这些成果可以推广金刚石微机电系统（MEMS）的研究，比现有的硅微机电系统（MEMS）具有更高的灵敏度和更高的可靠性。

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MEMS传感器——其中微悬臂梁（固定在一端的投影光束）和电子电路集成在单个衬底上——已经用于气体传感器、质量分析仪和扫描显微镜探针。MEMS传感器在防灾、医学等更广泛的领域中的应用需要进一步提高其灵敏度和可靠性。金刚石的弹性常数和机械常数是所有材料中最高的，使其有望用于开发高可靠和超灵敏的MEMS传感器。然而，由于金刚石的高硬度，三维微加工是困难的。该研究小组开发了一种“智能切割”的制造方法，使得能够利用离子束对金刚石进行微加工，并在2010年成功地制造了单晶金刚石悬臂。然而，由于存在表面缺陷，金刚石悬臂梁的质量因子与现有硅悬臂梁的质量因子相似。

图：通过该研究开发的金刚石MEMS芯片的显微照片以及集成到芯片中的一个金刚石悬臂。

研究小组随后开发了一种新的技术，在金刚石表面进行原子刻蚀。这种蚀刻技术允许去除使用智能切割方法制造的单晶金刚石悬臂梁底表面的缺陷。所得到的悬臂梁的Q因子值——一个用于测量悬臂梁灵敏度的参数——超过100万，居世界最高之列。该小组随后提出了一个新的MEMS器件概念：同时集成悬臂梁、振荡悬臂梁的电子电路和感测悬臂梁振动的电子电路。最后，该课题组研制出可由电信号驱动的单晶金刚石MEMS芯片，并在世界范围内首次成功演示了其工作原理。该芯片具有高性能，高灵敏度，能够在低电压和高至600℃的温度下工作。

这些结果可以加速金刚石MEMS芯片的实际应用，尤其是至关重要的基础技术的研究，有望开发出超灵敏、高速、紧凑、高性能、极其可靠的传感器，能够区分单分子一样轻的质量。

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