微機電系統 (MEMS) 是將各種組件（例如微型感測器、電子裝置和致動器）整合到單一晶片上的微型設備。事實證明，這些小型設備在精確檢測生物訊號、加速度、力和其他測量方面非常有前景。

迄今為止開發的大多數MEMS都是由矽和氮化矽製成。雖然其中一些設備取得了有希望的結果，但它們的材料成分和設計限制了它們的靈敏度和多功能性，例如限制了它們在潮濕環境中的使用。

在最近的一次自然電子學 紙洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的研究人員推出了基於聚合物、半導體和陶瓷的創新 MEMS 懸臂梁設計。懸臂是微小的柔性梁，可根據外力或分子相互作用調整其形狀，因此有可能用作感測器或致動器。

「我們的團隊之前致力於研究用於高速原子力顯微鏡(AFM) 的聚合物懸臂，並開發了用於工業和生物應用的基於MEMS 的自感應AFM 懸臂，」該論文的主要作者Nahid Hosseini 博士告訴Tech Xplore。

「然而，自感應懸臂梁傳統上面臨著挑戰​​，特別是在實現高力靈敏度和確保生物相容性方面，因為應變感測器通常放置在 MEMS 懸臂樑的外表面上。”

Hosseini 博士和她的同事最近的研究旨在開發一種新的自感知懸臂，在具有挑戰性的環境中（例如在液體中）始終表現良好。這種懸臂可能被證明特別有價值生物醫學應用，促進新的微型生物感測技術的開發。

研究人員設計的懸臂採用獨特的分層設計，融合了三種不同的材料。

「這聚合物層之所以選擇這種材料是因為其楊氏模量相對較低，使得懸臂可以較厚，同時保持足夠的柔韌性以實現高偏轉靈敏度，」Hosseini 博士解釋道。「此外，基於聚合物的懸臂比由矽或矽製成的懸臂表現出更快的動態響應。

對於懸臂樑的半導體層，團隊使用了摻雜多晶矽。此層有助於提高設備的感測能力，增強其檢測小變形（即施加的力或位移）的能力。

最後，該設備的陶瓷外層封裝了聚合物核心及其底層電子裝置。陶瓷增強了設備的機械和化學穩定性，使其能夠在各種環境下安全運作。

「我們的密封多層設計能夠快速測量微小的力，甚至可以在惡劣的不透明流體中工作，」Hosseini 博士說。

「它還將自感應 AFM 懸臂的應用擴展到更廣泛的表面表徵技術，例如磁力顯微鏡 (MFM) 或開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)，其中懸臂的表面必須塗有功能層。”

作為近期工作的一部分，Hosseini 博士和她的同事利用他們的設計製造了 MEMS 設備的原型。初步測試表明，該設備性能非常好，能夠一致地檢測不同環境中的力和變形。

Hossaini 博士說：“這項工作的傑出成就之一是製造了一種將高偏轉靈敏度與機械魯棒性結合在一起的 MEMS 裝置。”“聚合物芯和摻雜多晶矽應變感測器的結合使懸臂能夠檢測非常小的力。”

新設計的懸臂具有高度的堅固性和適應性，因此可以有各種實際應用。例如，它可用於檢測化學和生物樣品中的質量變化，從而有助於在奈米尺度上表徵它們。

在醫療保健環境中，裝置可以支援高精度診斷和生物訊號的詳細監測。此外，懸臂可用於監測自然環境，檢測微小但有意義的污染變化。

「展望未來，我們計劃透過探索新的材料組合併提高其靈敏度和耐用性來繼續優化這些懸臂的性能，」Hosseini 博士補充道。「一個重點是將它們整合到更多複雜系統，例如微流體平台，以擴展其實時診斷和監測能力。

“我們的多層懸臂梁原型已經引起了國際公司的興趣，我正在積極製造這些設備以供各個行業使用。”

Hosseini 博士正在製作懸臂她在她的論文中介紹了這一點，全世界的工程師和製造商都可以使用。研究人員計劃在明年內推出基於其專利設計的衍生產品，以便半導體製造商和開發醫療技術的工程師可以使用它。

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