Разработка сенсорной микросхемы MEMS, оснащенной высококачественными алмазными кантилеверами. Исследовательская группа, возглавляемая NIMS, преуспела в разработке высококачественного алмазного кантилевера с одним из самых высоких значений качества (Q) при комнатной температуре. Группе также впервые в мире удалось разработать микросхему сенсора для монокристаллических алмазных микроэлектромеханических систем (MEMS), которая может активироваться и восприниматься электрическими сигналами. Эти достижения могут популяризировать исследования по алмазным MEMS со значительно более высокой чувствительностью и большей надежностью, чем существующие кремниевые MEMS.

Микрофотографии алмазного MEMS-чипа, разработанного в ходе этого исследования, и одного из алмазных кантилеверов, интегрированных в чип Фото: NIMS

В датчиках MEMS микроскопические кантилеверы (выступающие балки, закрепленные только на одном конце) и электронные схемы интегрированы на одной подложке. Они использовались в газовых сенсорах, масс-анализаторах и датчиках сканирующего микроскопа. Для практического применения в самых разных областях, включая предотвращение стихийных бедствий и медицину, они требуют большей чувствительности и надежности.

Константа упругости и механическая константа алмаза являются одними из самых высоких среди любых материалов, что делает его перспективным для использования при разработке высоконадежных и чувствительных датчиков MEMS. Однако трехмерное микрообработка алмаза затруднена из-за его механической твердости. Исследовательская группа разработала метод изготовления «умного огранки», который позволил проводить микропроцессорную обработку алмаза с использованием ионных пучков, и в 2010 году удалось изготовить монокристаллический алмазный кантилевер. Однако коэффициент качества алмазного кантилевера был аналогичен качеству существующих кремниевых кантилеверов из-за наличие дефектов поверхности.

Исследовательская группа впоследствии разработала новый метод, позволяющий травление алмазных поверхностей в атомном масштабе. Эта техника травления позволила группе удалить дефекты на нижней поверхности монокристаллического алмазного кантилевера, изготовленного с использованием метода умного резания. Результирующий кантилевер показал значения добротности — параметр, используемый для измерения чувствительности кантилевера — более одного миллиона; среди самых высоких в мире. Затем группа сформулировала новую концепцию MEMS-устройства: одновременную интеграцию кантилевера, электронной схемы, которая колеблется в кантилевере, и электронной схемы, которая измеряет вибрацию кантилевера. Наконец, группа разработала монокристаллический алмазный MEMS-чип, который может приводиться в действие электрическими сигналами, и впервые успешно продемонстрировала его работу.

Эти результаты могут ускорить исследования фундаментальных технологий, жизненно важных для практического применения алмазных микросхем MEMS, и разработки чрезвычайно чувствительных, высокоскоростных, компактных и надежных датчиков, способных различать массы, различающиеся по свету, как одна молекула.

По материалам phys.org