微小電気機械システム (MEMS) は、小型センサー、電子機器、アクチュエーターなどのさまざまなコンポーネントを単一のチップに統合した小型デバイスです。これらの小型デバイスは、生体信号、加速度、力、その他の測定値を正確に検出するのに非常に有望であることが証明されています。

これまでに開発されたMEMSのほとんどはシリコンや窒化シリコンでできています。これらのデバイスの中には有望な結果を達成したものもありますが、その材料組成と設計により感度と汎用性が制限され、たとえば湿った環境での使用が制限されます。

最近ではネイチャーエレクトロニクス 紙、ローザンヌ工科大学 (EPFL) の研究者は、ポリマー、半導体、セラミックをベースにした MEMS 用の革新的なカンチレバー設計を導入しました。カンチレバーは、外力や分子相互作用に応じて形状を適応させることができる小さな柔軟な梁であり、センサーやアクチュエーターとして機能する可能性があります。

「私たちのチームは以前、高速原子間力顕微鏡（AFM）用のポ​​リマーカンチレバーに取り組み、産業および生物学的用途向けにMEMSベースの自己感知AFMカンチレバーを開発しました」と論文の筆頭著者であるNahid Hosseini博士はTech Xploreに語った。

「しかし、ひずみセンサーは通常、MEMS カンチレバーの外面に配置されるため、自己感知カンチレバーは従来、特に高い力感度の達成と生体適合性の確保において課題に直面してきました。」

Hosseini 博士とその同僚による最近の研究は、流体内などの厳しい環境でも一貫して優れた性能を発揮する新しい自己感知カンチレバーを開発することを目的としていました。このようなカンチレバーは、次の用途に特に価値があることが証明される可能性があります。生物医学への応用、新しい小型バイオセンシング技術の開発が可能になります。

研究者らによって設計されたカンチレバーは、3 つの異なる材料を組み込んだ独自の層状設計になっています。

「ポリマー層比較的低いヤング率のために選ばれたカンチレバーは、高いたわみ感度を実現するのに十分な柔軟性を維持しながら、カンチレバーを厚くすることができます。」とホセイニ博士は説明しました。窒化ケイ素。」

カンチレバーの半導体層には、研究チームはドープされたポリシリコンを使用しました。この層はデバイスのセンシング機能に貢献し、小さなたわみ (すなわち、加えられた力や変位) を検出する能力を強化します。

最後に、デバイスのセラミックベースの外層は、ポリマーコアとその下にある電子機器をカプセル化します。セラミックはデバイスの機械的および化学的安定性を高め、さまざまな環境で安全に動作できるようにします。

「当社の密閉された多層設計により、小さな力を迅速に測定でき、過酷で不透明な流体中でも機能します」とホッセイニ博士は述べました。

「また、セルフセンシングAFMカンチレバーの応用範囲を、カンチレバーの表面を機能層でコーティングする必要がある磁力顕微鏡(MFM)やケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)などのより広範囲の表面特性評価技術に拡張します。」

最近の研究の一環として、ホッセイニ博士と同僚​​は、その設計を使用して MEMS デバイスのプロトタイプを製造しました。初期テストでは、このデバイスが非常に良好に動作し、さまざまな環境で力とたわみを一貫して検出することが示されました。

「この研究の傑出した成果の 1 つは、高いたわみ感度と機械的堅牢性を組み合わせた MEMS デバイスの製造です」と Hossaini 博士は述べました。「ポリマーコアとドープされたポリシリコンひずみセンサーを組み合わせることで、カンチレバーは非常に小さな力を検出できるようになります。」

新しく設計されたカンチレバーは非常に堅牢で適応性があることが判明したため、現実世界のさまざまな用途に使用できる可能性があります。たとえば、化学サンプルや生物学サンプルの質量変化を検出するために使用でき、ナノスケールでの特性評価に役立ちます。

医療現場では、デバイス高精度の診断や生体信号の詳細なモニタリングをサポートします。さらに、カンチレバーを使用して自然環境を監視し、小さいながらも意味のある汚染の変化を検出できる可能性があります。

「今後も、新しい材料の組み合わせを探索し、カンチレバーの感度と耐久性を改良することで、これらのカンチレバーの性能を最適化し続ける予定です」とホセイニ博士は付け加えた。「重要な焦点は、それらをより多くの製品に統合することになります。複雑なシステム、マイクロ流体プラットフォームなど、リアルタイムの診断および監視機能を拡張します。

「当社の多層カンチレバーのプロトタイプはすでに国際企業からの関心を集めており、さまざまな業界で使用できるようこれらのデバイスを積極的に製造しています。」

ホセイニ博士が作っているのは、カンチレバー世界中のエンジニアやメーカーがアクセスできる彼女の論文で紹介されました。研究者らは来年以内に、半導体メーカーや医療技術を開発する技術者が使用できるように、特許取得済みの設計に基づいたスピンオフ製品を発売する予定だ。

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