Новый высокочувствительный алмазный кантилевер

Новый высокочувствительный алмазный кантилевер

Специалисты индийского университета NIMS разработали высококачественный прототип конструкции алмазного зонда (кантилевера), показавшего самое высокое значение когда-либо достигнутого качества при комнатной температуре. Группе также впервые в мире удалось разработать микросхему сенсора монокристаллических алмазных микроэлектромеханических систем (MEMS — Microelectromechanical Systems), которая может активироваться и восприниматься электрическими сигналами. Эти достижения могут популяризировать исследования алмазных MEMS, обладающих уникально высокой степенью чувствительности и повышенной надежностью, чем существующие кремниевые MEMS.

Совершенство чувствительности и надёжности

Датчики MEMS, где микроскопические кантилеверы и электронные схемы интегрированы на одной подложке, используются:

  • в газовых датчиках,
  • на масс-анализаторах,
  • в датчиках сканирующих микроскопов.

Чтобы сенсоры подобного типа могли применяться в широком диапазоне областей, например для нужд МЧС или медицины, чувствительность и надежность приборов требуют дальнейшего совершенства.

Константа упругости и механическая константа алмаза являются одними из самых высоких среди любых материалов, делая этот материал перспективным к применению при разработке высоконадежных и чувствительных датчиков MEMS.

Однако трехмерная микрообработка алмаза затруднена по причине механической твердости материала. Поэтому исследовательская группа разработала метод «умной» огранки, позволивший проводить микропроцессорную обработку алмаза посредством бомбардировки ионами.

Именно благодаря этой технологии, в 2010 году удалось изготовить монокристаллический алмазный кантилевер. Тем не менее, коэффициент качества созданного в те времена алмазного зонда фактически соответствовал качеству существующих кремниевых кантилеверов по причине наличия поверхностных дефектов.

Новая методика травления и «умного» резака

Исследовательская группа индийских учёных впоследствии разработала новую методику, позволяющую травление алмазных поверхностей в атомном масштабе. Этот метод травления сделал возможным удаление дефектов на нижней поверхности монокристаллического алмазного кантилевера, изготовленного с использованием метода «умного» резака.

Результирующий алмазный зонд продемонстрировал значение добротности — параметра, используемого для измерения чувствительности кантилевера — больше одного миллиона. Это самый высокий параметр в мире. Затем учёные сформулировали новую концепцию MEMS-устройства — одновременную интеграцию зонда и электронной схемы, измеряющей вибрацию сенсора.

Наконец, группа разработчиков создала монокристаллический алмазный MEMS-чип, приводимый в действие электрическими сигналами, и успешно продемонстрировала уникальный продукт. Чип показал очень высокую производительность, высокую чувствительность, способность работать при низких напряжениях и в условиях температуры до 600°C.

Работа индийских учёных обещает ускорить исследования фундаментальных технологий, жизненно важных для практического применения. Алмазные микросхемы MEMS, разработки чрезвычайно чувствительных, высокоскоростных, компактных, надежных сенсоров, способных различать массы размером молекулы – это явный прорыв.


При помощи информации: NIMS