研究背景
随着MEMS在传感领域中的广泛应用，特别是在原子力显微镜（AFM）中的使用，力、加速度和生物分析物的精确测量引起了越来越多的关注。MEMS悬臂梁是实现这些测量的关键组件，它们通过应变传感器将施加的力转化为电信号。然而，传统MEMS材料如硅和氮化硅的高杨氏模量限制了悬臂梁的厚度，从而限制了在特定弹簧常数下的挠度灵敏度。这一问题使得自感知悬臂梁未能在AFM中得到广泛应用，其力敏感性和信噪比相较于光学检测悬臂梁显得较低。
因此呢，聚合物材料因其低杨氏模量而受到重视。聚合物MEMS能够实现更厚的悬臂梁，同时保持较低的弹簧常数，从而有望提升传感器的灵敏度。然而，聚合物材料在高温沉积半导体时会受到损害，因此传统的聚合物与半导体的结合面临巨大挑战。虽然聚合物MEMS悬臂梁对AFM应用具有吸引力，但其应变传感器的灵敏度因子普遍低于半导体应变传感器，限制了其性能。
研究内容
为了解决这一问题，马洛桑联邦理工学院（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。他们提出了一种新的三层结构的MEMS制造平台。通过将聚合物核心夹在两层陶瓷氮化硅之间，这种结构使得高温电子元件的制造与聚合物工艺分开，从而避免了对聚合物的损害。这一创新方法使得MEMS悬臂梁在保持厚度和柔软性的同时，实现了高挠度灵敏度和高力敏感性。
本研究主要解决了传统MEMS材料与聚合物材料结合中面临的高温兼容性问题。通过采用聚合物-半导体-陶瓷的三层结构，不仅提升了MEMS悬臂梁的流体兼容性，还实现了内部集成的半导体传感电子元件的环境隔离。这种新型悬臂梁在苛刻的流体环境中表现出优异的稳定性，能够在不降解的情况下持续成像5小时。通过这些创新，我们的研究为自感知MEMS设备的应用开辟了新的前景，为未来的生物传感和纳米技术提供了新的解决方案。
图文解读
1.本研究首次使用聚合物-半导体-陶瓷三层结构制造MEMS悬臂梁，旨在提高其厚度和灵敏度。
2. 实验设计和方法：
⚪ 采用高温工艺分离，确保半导体电子组件在不损坏聚合物层的情况下被嵌入。
⚪ 聚合物核心被夹在两层陶瓷氮化硅层之间，构成悬臂梁的三层结构。
3. 实验结果和分析：
⚪ 比较了三层结构悬臂梁与传统硅悬臂梁的性能，显示出六倍的力噪声降低。
图 1 | 不同读出机制中的力转电压
图 2 | 三层MEMS悬臂梁的概念及性能
图 3 | 三层MEMS悬臂梁技术的理论与实验评估
图 4 | 三层MEMS悬臂梁在真空中用于AM-AFM的高跟踪带宽
图 5 | 三层MEMS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悬臂梁
结论展望
本文的研究为MEMS领域提供了新的视角和方法，特别是在集成传感器与驱动器的设计与制造方面。通过将聚合物、半导体和陶瓷材料结合，研究展示了如何克服传统MEMS材料在力敏感性与挠度灵敏度上的局限。这一创新的三层结构，不仅能够实现更高的灵敏度和更低的力噪声，还在极端流体环境下保持稳定的性能。这为未来MEMS的应用开辟了新的方向，尤其是在生物传感、环境监测和纳米技术领域。
此外，研究表明，材料选择与制造工艺的优化在MEMS设计中至关重要。通过开发多层制造方法，研究者能够有效地将高温工艺与聚合物加工相分离，保证了各材料性能的最大化。此策略为解决高灵敏度应变传感器的设计难题提供了新思路，尤其是在需要柔性与高灵敏度相结合的应用中。
同时，本文的成果强调了跨学科合作的重要性。MEMS技术的进步依赖于材料科学、电子工程及微加工技术的融合，未来的研究可以在这些领域进一步探索，开发出更为先进的传感器平台。这不仅可以提升现有技术的性能，还可能催生出全新的应用场景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01195-z
