Udvikling af MEMS sensorchip udstyret med diamantudkragere af ultrahøj kvalitet

En NIMS-ledet forskergruppe lykkedes med at udvikle en højkvalitets diamantudkrager med blandt de højeste kvalitets-(Q)-faktorværdier ved stuetemperatur, der nogensinde er opnået. Gruppen lykkedes også for første gang i verden at udvikle en enkelt krystal diamant mikroelektromekaniske systemer (MEMS) sensorchip, der kan aktiveres og registreres af elektriske signaler. Disse resultater kan popularisere forskning i diamant MEMS med betydeligt højere følsomhed og større pålidelighed end eksisterende silicium MEMS.

I MEMS-sensorer, mikroskopiske cantilevers (fremspringende bjælker, der kun er fastgjort i den ene ende) og elektroniske kredsløb er integreret på et enkelt substrat. De er blevet brugt i gassensorer, masseanalysatorer og scanningsmikroskopsonder. Til praktisk anvendelse inden for en bredere vifte af områder, herunder katastrofeforebyggelse og medicin, de kræver større følsomhed og pålidelighed.

Diamantens elastiske konstant og mekaniske konstant er blandt de højeste af ethvert materiale, hvilket gør det lovende til brug i udviklingen af ​​yderst pålidelige og følsomme MEMS-sensorer. Imidlertid, tredimensionel mikrofremstilling af diamant er vanskelig på grund af dens mekaniske hårdhed. Forskergruppen udviklede en "smart cut" fremstillingsmetode, der muliggjorde mikrobearbejdning af diamant ved hjælp af ionstråler, og det lykkedes at fremstille en enkelt krystal diamantudkrager i 2010. kvalitetsfaktoren for diamantudkragningen svarede til den for eksisterende siliciumudkragninger på grund af tilstedeværelsen af ​​overfladedefekter.

Forskergruppen udviklede efterfølgende en ny teknik, der muliggør ætsning af diamantoverflader i atomskala. Denne ætsningsteknik gjorde det muligt for gruppen at fjerne defekter på bunden af ​​​​den enkelt krystal diamantudkrager fremstillet ved hjælp af smart cut-metoden. Den resulterende cantilever udviste Q-faktorværdier - en parameter, der bruges til at måle følsomheden af ​​en cantilever - større end en million; blandt verdens højeste. Gruppen formulerede derefter et nyt MEMS-enhedskoncept:samtidig integration af en cantilever, et elektronisk kredsløb, der oscillerer cantileveren og et elektronisk kredsløb, der fornemmer vibrationen fra cantileveren. Endelig, gruppen udviklede en enkelt krystal diamant MEMS chip, der kan aktiveres af elektriske signaler og demonstrerede med succes sin funktion for første gang. Chippen udviste meget høj ydeevne og følsomhed, arbejder ved lave spændinger og ved temperaturer helt op til 600°C.

Disse resultater kan fremskynde forskning i grundlæggende teknologi, der er afgørende for den praktiske anvendelse af diamant-MEMS-chips og udviklingen af ​​ekstremt følsomme, høj hastighed, kompakte og pålidelige sensorer, der er i stand til at skelne masser, der adskiller sig med lige så lette som et enkelt molekyle.