突破性能瓶颈！MEMS关键器件材料创新

【研究背景】

在微电子机械系统（MEMS）领域，随着科技进步和应用需求的增加，对于传统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员的关注。这些材料在应用中通常用于制造悬臂，特别是在原子力显微镜（AFM）中，用于在纳米尺度下探测样品。传统上，通过光束偏转（OBD）方法检测AFM悬臂的挠度，这种方法依赖于悬臂末端的角度变化。然而，随着技术的发展，具有自我感知能力的悬臂也相继发展起来，这些悬臂集成了可以自主检测挠度的传感元件，例如压电电阻传感器。

尽管自感知悬臂具有潜在的优势，例如简化的检测装置和更小的体积，但它们的应用受到了其低FS和信噪比的限制。这主要是因为传统的硅基或氮化硅材料在厚度上的限制导致了弹簧常数较高，从而影响了其挠度灵敏度（DS）。为了提高FS，悬臂必须增加厚度，但这又会增加其弹簧常数，从而抵消了其在DS上的潜在优势。

为了克服这些挑战，研究人员开始探索使用聚合物材料作为MEMS悬臂的替代选择。聚合物具有显著较低的杨氏模量，例如SU-8的杨氏模量约为氮化硅的60倍，这使得聚合物MEMS可以制造更厚的悬臂而不增加弹簧常数。然而，传统的聚合物材料与高灵敏度因子的半导体应变传感器不兼容，因其所需的高温制程可能会损害聚合物结构。

有鉴于此，洛桑联邦理工学院（EPFL）生物与纳米仪器实验室Georg E. Fantner教授团队在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems”的最新论文。研究人员采用了三层结构的设计，将聚合物核心夹在两层陶瓷氮化硅层之间，并在半导体传感电子设备嵌入聚合物与硬陶瓷层之间。关键在于，他们成功地分离了制造电子元件所需的高温工艺和制造悬臂核心所需的聚合物工艺，从而确保了悬臂的结构完整性和性能稳定性。

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

【科学亮点】

1）实验首次将低杨氏模量的聚合物材料集成于三层MEMS悬臂中，开发出一种新型的聚合物-半导体-陶瓷MEMS平台。这种结构不仅增强了悬臂的厚度和柔软性，还显著提高了力敏感性和挠度灵敏度。

2）通过高温工艺与聚合物处理的分离，本研究成功地在聚合物基体中嵌入半导体应变传感器，解决了传统MEMS材料与电子材料相互影响的问题。该三层悬臂的力噪声比硅悬臂降低了六倍，证明了其在传感精度上的优势。

3）实验结果显示，三层悬臂在自感知原子力显微镜（AFM）和膜表面应力传感器应用中表现出优异的流体兼容性。即使在苛刻的化学环境中（如氯化铁），悬臂也能持续工作5小时而无降解现象，展现了其在生物分析中的潜在应用价值。

4）研究还表明，聚合物MEMS在应变传感方面的灵敏度虽较低，但结合高性能电子元件的使用，仍能有效提升自感知能力，为未来多功能MEMS设备的发展提供了新思路。

【图文解读】

图1：不同读出机制中的力转电压。

图2：三层悬臂梁的概念及性能。

图3：三层技术的理论与实验评估。

图4：三层悬臂梁在真空中用于AM-AFM的高跟踪带宽。

图5：三层悬臂梁作为多种扫描探针技术的平台。

图6：用于流体密封膜表面应力传感的三层MEMS。

【科学启迪】

本文的研究展示了聚合物、半导体和陶瓷材料三层结构在微电子机械系统（MEMS）中的创新应用，为力传感和自感知技术的发展提供了新的思路。首先，通过将聚合物与高性能半导体电子元件结合，该方法突破了传统MEMS材料在厚度和柔软性上的限制，展示了多层结构在增强挠度灵敏度和力敏感性方面的优势。这一创新表明，在MEMS设计中，灵活运用材料的组合，可以实现更高的性能和适应性。

其次，研究中开发的多层制造工艺，成功地将高温工艺与聚合物加工分开，不仅保证了材料的兼容性，也使得制造过程更具可控性和可扩展性。这种工艺的灵活性为未来MEMS设备的集成化与小型化提供了新的可能，尤其是在要求高灵敏度和高稳定性的应用场景中，如生物检测和环境监测。

此外，该研究还揭示了在苛刻环境下操作MEMS的潜力，表明三层结构的设计在保持电子元件稳定性和有效性的同时，具备流体兼容性。这一特性为未来MEMS在生物医学和化学分析领域的应用奠定了基础，提供了强有力的技术支持。

总的来说，本文不仅推动了MEMS技术的发展，还为科学研究者和工程师提供了一个新的视角，强调了材料选择和制造工艺的重要性。通过结合不同材料的优势，我们能够设计出更具适应性的MEMS设备，从而更好地满足未来高精度传感需求的挑战。

原文详情：

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

审核编辑 黄宇