突破性能瓶頸！MEMS關(guān)鍵器件材料創(chuàng)新

【研究背景】

在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域，隨著科技進(jìn)步和應(yīng)用需求的增加，對于傳統(tǒng)MEMS材料（如硅或氮化硅）的力敏感性（FS）和信噪比的限制引起了研究人員的關(guān)注。這些材料在應(yīng)用中通常用于制造懸臂，特別是在原子力顯微鏡（AFM）中，用于在納米尺度下探測樣品。傳統(tǒng)上，通過光束偏轉(zhuǎn)（OBD）方法檢測AFM懸臂的撓度，這種方法依賴于懸臂末端的角度變化。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，具有自我感知能力的懸臂也相繼發(fā)展起來，這些懸臂集成了可以自主檢測撓度的傳感元件，例如壓電電阻傳感器。

盡管自感知懸臂具有潛在的優(yōu)勢，例如簡化的檢測裝置和更小的體積，但它們的應(yīng)用受到了其低FS和信噪比的限制。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的硅基或氮化硅材料在厚度上的限制導(dǎo)致了彈簧常數(shù)較高，從而影響了其撓度靈敏度（DS）。為了提高FS，懸臂必須增加厚度，但這又會增加其彈簧常數(shù)，從而抵消了其在DS上的潛在優(yōu)勢。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員開始探索使用聚合物材料作為MEMS懸臂的替代選擇。聚合物具有顯著較低的楊氏模量，例如SU-8的楊氏模量約為氮化硅的60倍，這使得聚合物MEMS可以制造更厚的懸臂而不增加彈簧常數(shù)。然而，傳統(tǒng)的聚合物材料與高靈敏度因子的半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器不兼容，因其所需的高溫制程可能會損害聚合物結(jié)構(gòu)。

有鑒于此，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）生物與納米儀器實(shí)驗(yàn)室Georg E. Fantner教授團(tuán)隊(duì)在“Nature Electronics”期刊上發(fā)表了題為“A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems”的最新論文。研究人員采用了三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將聚合物核心夾在兩層陶瓷氮化硅層之間，并在半導(dǎo)體傳感電子設(shè)備嵌入聚合物與硬陶瓷層之間。關(guān)鍵在于，他們成功地分離了制造電子元件所需的高溫工藝和制造懸臂核心所需的聚合物工藝，從而確保了懸臂的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性。

A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems.

【科學(xué)亮點(diǎn)】

1）實(shí)驗(yàn)首次將低楊氏模量的聚合物材料集成于三層MEMS懸臂中，開發(fā)出一種新型的聚合物-半導(dǎo)體-陶瓷MEMS平臺。這種結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了懸臂的厚度和柔軟性，還顯著提高了力敏感性和撓度靈敏度。

2）通過高溫工藝與聚合物處理的分離，本研究成功地在聚合物基體中嵌入半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器，解決了傳統(tǒng)MEMS材料與電子材料相互影響的問題。該三層懸臂的力噪聲比硅懸臂降低了六倍，證明了其在傳感精度上的優(yōu)勢。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三層懸臂在自感知原子力顯微鏡（AFM）和膜表面應(yīng)力傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的流體兼容性。即使在苛刻的化學(xué)環(huán)境中（如氯化鐵），懸臂也能持續(xù)工作5小時而無降解現(xiàn)象，展現(xiàn)了其在生物分析中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

4）研究還表明，聚合物MEMS在應(yīng)變傳感方面的靈敏度雖較低，但結(jié)合高性能電子元件的使用，仍能有效提升自感知能力，為未來多功能MEMS設(shè)備的發(fā)展提供了新思路。

【圖文解讀】

圖1：不同讀出機(jī)制中的力轉(zhuǎn)電壓。

圖2：三層懸臂梁的概念及性能。

圖3：三層技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)評估。

圖4：三層懸臂梁在真空中用于AM-AFM的高跟蹤帶寬。

圖5：三層懸臂梁作為多種掃描探針技術(shù)的平臺。

圖6：用于流體密封膜表面應(yīng)力傳感的三層MEMS。

【科學(xué)啟迪】

本文的研究展示了聚合物、半導(dǎo)體和陶瓷材料三層結(jié)構(gòu)在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）中的創(chuàng)新應(yīng)用，為力傳感和自感知技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。首先，通過將聚合物與高性能半導(dǎo)體電子元件結(jié)合，該方法突破了傳統(tǒng)MEMS材料在厚度和柔軟性上的限制，展示了多層結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)撓度靈敏度和力敏感性方面的優(yōu)勢。這一創(chuàng)新表明，在MEMS設(shè)計(jì)中，靈活運(yùn)用材料的組合，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能和適應(yīng)性。

其次，研究中開發(fā)的多層制造工藝，成功地將高溫工藝與聚合物加工分開，不僅保證了材料的兼容性，也使得制造過程更具可控性和可擴(kuò)展性。這種工藝的靈活性為未來MEMS設(shè)備的集成化與小型化提供了新的可能，尤其是在要求高靈敏度和高穩(wěn)定性的應(yīng)用場景中，如生物檢測和環(huán)境監(jiān)測。

此外，該研究還揭示了在苛刻環(huán)境下操作MEMS的潛力，表明三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在保持電子元件穩(wěn)定性和有效性的同時，具備流體兼容性。這一特性為未來MEMS在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

總的來說，本文不僅推動了MEMS技術(shù)的發(fā)展，還為科學(xué)研究者和工程師提供了一個新的視角，強(qiáng)調(diào)了材料選擇和制造工藝的重要性。通過結(jié)合不同材料的優(yōu)勢，我們能夠設(shè)計(jì)出更具適應(yīng)性的MEMS設(shè)備，從而更好地滿足未來高精度傳感需求的挑戰(zhàn)。

原文詳情：

Hosseini, N., Neuenschwander, M., Adams, J.D. et al. A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01195-z

審核編輯 黃宇