MEMS(Microelectromechanical Systems)는 소형 센서, 전자 장치, 액추에이터 등 다양한 구성 요소를 단일 칩에 통합하는 소형 장치입니다.이러한 소형 장치는 생물학적 신호, 가속도, 힘 및 기타 측정을 정확하게 감지하는 데 매우 유망한 것으로 입증되었습니다.

현재까지 개발된 MEMS의 대부분은 실리콘과 실리콘 질화물로 만들어진다.이러한 장치 중 일부는 유망한 결과를 얻었지만 재료 구성과 디자인은 예를 들어 습한 환경에서의 사용을 제한하는 등 감도와 다양성을 제한합니다.

최근에는자연 전자 종이, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)의 연구원들은 폴리머, 반도체 및 세라믹을 기반으로 하는 MEMS용 혁신적인 캔틸레버 디자인을 소개했습니다.캔틸레버는 외부 힘이나 분자 상호 작용에 반응하여 모양을 조정할 수 있는 작고 유연한 빔이므로 잠재적으로 센서나 액추에이터 역할을 할 수 있습니다.

"우리 팀은 이전에 고속 원자력 현미경(AFM)을 위한 폴리머 캔틸레버에 대해 연구했으며 산업 및 생물학적 응용 분야를 위한 MEMS 기반 자체 감지 AFM 캔틸레버를 개발했습니다."라고 논문의 주요 저자인 Nahid Hosseini 박사가 Tech Xplore에 말했습니다.

"그러나 자체 감지 캔틸레버는 전통적으로 높은 힘 감도를 달성하고 생체 적합성을 보장하는 데 어려움을 겪었습니다. 스트레인 센서는 일반적으로 MEMS 캔틸레버의 외부 표면에 배치되기 때문입니다."

Hosseini 박사와 동료들의 최근 연구는 유체 내부와 같은 까다로운 환경에서도 일관되게 잘 작동하는 새로운 자체 감지 캔틸레버를 개발하는 것을 목표로 했습니다.그러한 캔틸레버는 다음과 같은 경우에 특히 유용할 수 있습니다.생물의학 응용, 새로운 소형 바이오 센싱 기술 개발을 가능하게 합니다.

연구진이 디자인한 캔틸레버는 세 가지 다른 재료를 통합한 독특한 레이어 디자인을 가지고 있습니다.

"그만큼폴리머층상대적으로 낮은 영률 때문에 선택되어 캔틸레버를 두껍게 하면서 높은 편향 감도를 위해 충분한 유연성을 유지할 수 있습니다."라고 Hosseini 박사는 설명했습니다. "게다가 폴리머 기반 캔틸레버는 실리콘이나 캔틸레버로 만든 캔틸레버보다 훨씬 빠른 동적 응답을 나타냅니다.질화규소."

캔틸레버의 반도체 층을 위해 팀은 도핑된 폴리실리콘을 사용했습니다.이 레이어는 장치의 감지 기능에 기여하여 작은 편향(예: 적용된 힘 또는 변위)을 감지하는 기능을 향상시킵니다.

마지막으로 장치의 세라믹 기반 외부 레이어는 폴리머 코어와 그 기본 전자 장치를 캡슐화합니다.세라믹은 장치의 기계적, 화학적 안정성을 향상시켜 다양한 환경에서 안전하게 작동할 수 있도록 해줍니다.

"우리의 밀봉된 다층 설계는 작은 힘을 빠르게 측정할 수 있으며 가혹하고 불투명한 유체에서도 작동합니다"라고 Hosseini 박사는 말했습니다.

"또한 자체 감지 AFM 캔틸레버의 적용을 캔틸레버 표면을 기능성 층으로 코팅해야 하는 자기력 현미경(MFM) 또는 켈빈 탐침 힘 현미경(KPFM)과 같은 더 넓은 범위의 표면 특성화 기술로 확장합니다."

최근 연구의 일환으로 Hosseini 박사와 동료들은 그들의 디자인을 사용하여 MEMS 장치의 프로토타입을 제작했습니다.초기 테스트에서 이 장치는 다양한 환경에서 힘과 편향을 일관되게 감지하여 매우 우수한 성능을 발휘하는 것으로 나타났습니다.

Hossaini 박사는 "이 연구의 뛰어난 성과 중 하나는 높은 편향 감도와 기계적 견고성을 결합한 MEMS 장치를 제작한 것"이라고 말했습니다."폴리머 코어와 도핑된 폴리실리콘 스트레인 센서의 조합을 통해 캔틸레버는 매우 작은 힘을 감지할 수 있습니다."

새로 설계된 캔틸레버는 매우 견고하고 적응성이 뛰어나 다양한 실제 응용이 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.예를 들어, 화학적 및 생물학적 샘플의 질량 변화를 감지하는 데 사용할 수 있으므로 나노 규모에서 특성화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

의료 환경에서는장치고정밀 진단과 생체 신호의 상세한 모니터링을 지원할 수 있습니다.또한 캔틸레버는 자연 환경을 모니터링하여 작지만 의미 있는 오염 변화를 감지하는 데 사용될 수 있습니다.

Hosseini 박사는 "앞으로 우리는 새로운 재료 조합을 탐구하고 감도와 내구성을 개선하여 이러한 캔틸레버의 성능을 계속 최적화할 계획입니다"라고 덧붙였습니다."핵심 초점은 이들을 더 많은 분야에 통합하는 것입니다.복잡한 시스템실시간 진단 및 모니터링 기능을 확장합니다.

"우리의 다층 캔틸레버 프로토타입은 이미 국제 기업의 관심을 끌었으며 저는 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있도록 이러한 장치를 적극적으로 제작하고 있습니다."

호세이니 박사가 만들고 있는외팔보전 세계 엔지니어와 제조업체가 액세스할 수 있는 그녀의 논문에 소개되었습니다.연구진은 내년 안에 특허받은 디자인을 바탕으로 반도체 제조사와 의료 기술을 개발하는 엔지니어들이 사용할 수 있도록 스핀오프를 출시할 계획이다.

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