微机电系统 (MEMS) 是将各种组件（例如微型传感器、电子器件和执行器）集成到单个芯片上的微型设备。事实证明，这些小型设备在精确检测生物信号、加速度、力和其他测量方面非常有前景。

迄今为止开发的大多数MEMS都是由硅和氮化硅制成。虽然其中一些设备取得了有希望的结果，但它们的材料成分和设计限制了它们的灵敏度和多功能性，例如限制了它们在潮湿环境中的使用。

在最近的一次自然电子学 纸洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员推出了一种基于聚合物、半导体和陶瓷的创新型 MEMS 悬臂梁设计。悬臂是微小的柔性梁，可以根据外力或分子相互作用调整其形状，因此有可能用作传感器或执行器。

“我们的团队之前致力于研究用于高速原子力显微镜 (AFM) 的聚合物悬臂，并开发了用于工业和生物应用的基于 MEMS 的自感应 AFM 悬臂，”该论文的主要作者 Nahid Hosseini 博士告诉 Tech Xplore。

“然而，自感应悬臂梁传统上面临着挑战，特别是在实现高力灵敏度和确保生物兼容性方面，因为应变传感器通常放置在 MEMS 悬臂梁的外表面上。”

Hosseini 博士和她的同事最近的研究旨在开发一种新的自感知悬臂，该悬臂在具有挑战性的环境中（例如在液体中）始终表现良好。这种悬臂可能被证明特别有价值生物医学应用，促进新的微型生物传感技术的开发。

研究人员设计的悬臂采用独特的分层设计，融合了三种不同的材料。

“这聚合物层之所以选择这种材料是因为其杨氏模量相对较低，使得悬臂可以较厚，同时保持足够的柔韧性以实现高偏转灵敏度，”Hosseini 博士解释道。“此外，基于聚合物的悬臂比由硅或硅制成的悬臂表现出更快的动态响应。氮化硅。”

对于悬臂梁的半导体层，该团队使用了掺杂多晶硅。该层有助于提高设备的传感能力，增强其检测小变形（即施加的力或位移）的能力。

最后，该设备的陶瓷外层封装了聚合物核心及其底层电子器件。陶瓷增强了设备的机械和化学稳定性，使其能够在各种环境下安全运行。

“我们的密封多层设计能够快速测量微小的力，甚至可以在恶劣的不透明流体中工作，”Hosseini 博士说。

“它还将自感应 AFM 悬臂的应用扩展到更广泛的表面表征技术，例如磁力显微镜 (MFM) 或开尔文探针力显微镜 (KPFM)，其中悬臂的表面必须涂有功能层。”

作为近期工作的一部分，Hosseini 博士和她的同事利用他们的设计制造了 MEMS 设备的原型。初步测试表明，该设备性能非常好，能够始终如一地检测不同环境中的力和变形。

Hossaini 博士说：“这项工作的杰出成就之一是制造了一种将高偏转灵敏度与机械鲁棒性结合在一起的 MEMS 器件。”“聚合物芯和掺杂多晶硅应变传感器的结合使悬臂能够检测非常小的力。”

新设计的悬臂具有高度的坚固性和适应性，因此可以有各种实际应用。例如，它可用于检测化学和生物样品中的质量变化，从而有助于在纳米尺度上表征它们。

在医疗保健环境中，设备可以支持高精度诊断和生物信号的详细监测。此外，悬臂可用于监测自然环境，检测微小但有意义的污染变化。

“展望未来，我们计划通过探索新的材料组合并提高其灵敏度和耐用性来继续优化这些悬臂的性能，”Hosseini 博士补充道。“一个重点是将它们整合到更多复杂系统，例如微流体平台，以扩展其实时诊断和监测能力。

“我们的多层悬臂梁原型已经引起了国际公司的兴趣，我正在积极制造这些设备以供各个行业使用。”

Hosseini 博士正在制作悬臂她在她的论文中介绍了这一点，全世界的工程师和制造商都可以访问。研究人员计划在明年内推出基于其专利设计的衍生产品，以便半导体制造商和开发医疗技术的工程师可以使用它。

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