自感应悬臂设计增强了微机电系统在具有挑战性的环境中的性能

Josiah02 · 发表于 2024-9-9 16:50:25

微机电系统 (MEMS) 是一种微型设备，它将各种组件（例如微型传感器、电子设备和执行器）集成到单个芯片上。这些小型设备已被证明在精确检测生物信号、加速度、力和其他测量方面具有极高的前景。
迄今为止开发的大多数 MEMS 都是由硅和氮化硅制成的。虽然其中一些设备取得了令人鼓舞的成果，但它们的材料成分和设计限制了它们的灵敏度和多功能性，例如限制了它们在潮湿环境中的使用。
在最近的《自然电子学》论文中，洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员介绍了一种基于聚合物、半导体和陶瓷的 MEMS 创新悬臂设计。悬臂是微小的柔性梁，可以根据外力或分子相互作用调整其形状，因此可能用作传感器或执行器。
该论文的第一作者 Nahid Hosseini 博士告诉 Tech Xplore：“我们的团队之前致力于研究用于高速原子力显微镜 (AFM) 的聚合物悬臂，并开发了用于工业和生物应用的基于 MEMS 的自感应 AFM 悬臂。”
“然而，自感应悬臂传统上面临着挑战，特别是在实现高力灵敏度和确保生物相容性方面，因为应变传感器通常放置在 MEMS 悬臂的外表面上。”
Hosseini 博士及其同事的最新研究旨在开发一种新型自感应悬臂，这种悬臂在具有挑战性的环境中（例如在液体中）始终表现良好。这种悬臂对于生物医学应用可能特别有价值，有助于开发新的微型生物传感技术。
研究人员设计的悬臂采用独特的分层设计，融合了三种不同的材料。
Hosseini 博士解释说： “之所以选择聚合物层，是因为其杨氏模量相对较低，这使得悬臂可以很厚，同时又具有足够的柔韧性，可以实现较高的偏转灵敏度。此外，与硅或氮化硅制成的悬臂相比，聚合物基悬臂的动态响应速度要快得多。”
对于悬臂的半导体层，该团队使用了掺杂多晶硅。该层有助于增强设备的传感能力，增强其检测微小偏转（即施加的力或位移）的能力。
自感应多层悬臂是各种扫描探测技术（如磁力显微镜 (MFM)）的平台。(a) 示意图显示通过在悬臂尖端涂覆 70 nm 的 Ni 81 Fe 19来修改多层悬臂以进行 MFM 测量。使用混合 SEM-AFM 系统在真空中进行测量。(b) 形貌和相位数据的叠加显示了分离的 Ni 81 Fe 19纳米棒产生的磁场强度。插图是 SEM 图像。来源：Hosseini 等人。
最后，该设备的陶瓷外层封装了聚合物核心及其底层电子设备。陶瓷增强了设备的机械和化学稳定性，使其能够在各种环境下安全运行。
“我们的密封多层设计能够快速测量微小的力，即使在恶劣的不透明流体中也能工作，”Hosseini 博士说。
“它还将自感应 AFM 悬臂的应用扩展到更广泛的表面表征技术中，例如磁力显微镜 (MFM) 或开尔文探针力显微镜 (KPFM)，其中悬臂的表面必须涂有功能层。”
作为近期研究的一部分，Hosseini 博士及其同事利用他们的设计制作了 MEMS 设备原型。初步测试表明，该设备性能出色，能够在不同环境下持续检测力和偏转。
Hossaini 博士表示：“这项工作最突出的成就之一是制造出一种兼具高偏转灵敏度和机械强度的 MEMS 设备。聚合物芯和掺杂多晶硅应变传感器的结合使悬臂能够检测到非常小的力。”
研究人员发现，新设计的悬臂非常坚固且适应性强，因此可以有各种实际应用。例如，它可以用来检测化学和生物样品中的质量变化，从而帮助在纳米尺度上表征它们。
在医疗保健领域，该设备可以支持高精度诊断和生物信号的详细监测。此外，悬臂还可用于监测自然环境，检测污染中微小但有意义的变化。
Hosseini 博士补充道：“展望未来，我们计划继续优化这些悬臂的性能，探索新的材料组合，提高其灵敏度和耐用性。重点是将它们集成到更复杂的系统中，例如微流体平台，以扩展其实时诊断和监测能力。 ”
“我们的多层悬臂原型已经引起了国际公司的兴趣，我正在积极制造这些设备以供各个行业使用。”
Hosseini 博士正在将论文中介绍的悬臂提供给世界各地的工程师和制造商。研究人员计划在明年推出基于其专利设计的衍生产品，以便半导体制造商和开发医疗技术的工程师可以使用它。

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