MEMS|日本国家材料科学研究所开发出带有高质量金刚石悬臂的MEMS传感器芯片，灵敏度和可靠性明显高于现有的硅MEMS

日本国家材料科学研究所领导的研究小组成功开发出一种高质量的金刚石悬臂，具有室温下最高质量（Q）因子值。该小组还首次成功开发出可以通过电信号驱动和感知的单晶金刚石微机电系统（MEMS）传感器芯片。这些成就有助于推广金刚石MEMS的研究，其灵敏度和可靠性明显高于现有的硅MEMS。

图为该研究开发出的金刚石MEMS芯片的显微照片和集成到芯片中的一个金刚石悬臂。（图片来源：NIMS）

研究背景

MEMS传感器——微悬臂（仅一端固定的投射光束）和电子电路集成在单个基板上——已用于气体传感器、质量分析仪和扫描显微镜探头。MEMS传感器要应用于更广泛的领域，如防灾和医学，其灵敏度和可靠性需要进一步提高。金刚石的弹性常数和机械常数是所有材料中最高的之一，因此有望用于开发高可靠性和灵敏度的MEMS传感器。然而，由于其机械硬度大，金刚石的三维微加工困难。

研究基础

研究人员开发了一种名为“灵巧切割”的制造方法，该方法能够使用离子束对金刚石进行微处理，并在2010年成功制造出单晶金刚石悬臂。然而，因为表面缺陷的存在，金刚石悬臂的品质因数与现有硅悬臂相似。

研究进展

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。该蚀刻技术可去除使用智能切割方法制造的单晶金刚石悬臂的表面上的缺陷。所获得悬臂的Q因子值大于一百万，位列世界最高。Q是用于测量悬臂灵敏度的参数。

研究人员随后提出了新的MEMS器件概念：同时集成悬臂和振荡悬臂的电子电路及感应悬臂振动的电子电路。最后，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，并成功地在全球首次展示了其运行情况。该芯片表现出非常高的性能;它非常灵敏，能够在低电压和高达600°C的温度下工作。