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超优质金刚石悬臂梁MEMS传感器芯片

作者: 发布时间:2019-01-08 浏览次数:2004
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  一个由NIMS领导的研究小组成功开发出了一种高质量的金刚石悬臂梁,它在室温下达到了***高质量(Q)因子值。该集团还在世界上***成功开发了一种可由电信号驱动和感知的单晶金刚石微电子机械系统(MEMS)传感器芯片。这些研究成果将使金刚石微机械系统的灵敏度和可靠性显著高于现有的硅微机械系统。

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  在MEMS传感器中,微型悬臂梁(只固定在一端的投影梁)和电子电路集成在一个基片上。它们已用于气体传感器、质量分析仪和扫描显微镜探针。要在包括防灾和医学在内的更广泛领域进行实际应用,则要求具有更高的灵敏度和可靠性。


  金刚石的弹性常数和机械常数在任何材料中都是***高的,这使得它在开发高可靠、高灵敏度的MEMS传感器方面具有广阔的应用前景。然而,由于金刚石的机械硬度***,其三维微加工非常困难。为此,该研究小组开发了一种“智能切割”的制造方法,可利用离子束对金刚石进行微加工,并于2010年成功制造出一种单晶金刚石悬臂梁。但由于金刚石悬臂存在表面缺陷,其质量因数与现有硅悬臂相似。

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  研究小组随后开发了一种新的技术,使金刚石表面的原子尺度蚀刻成为可能。这种蚀刻技术使得该小组能够消除使用智能切割方法制作的单晶金刚石悬臂梁底面的缺陷。由此产生的悬臂显示Q因子值(用于测量悬臂灵敏度的参数)大于100万;是世界上***高的。该小组随后提出了一种新的MEMS设备概念:同时集成悬臂梁、振荡悬臂梁的电子电路和感知悬臂梁振动的电子电路。***后,研发出一种可由电信号驱动的单晶金刚石MEMS芯片,并***成功演示了其工作原理。在低电压和温度高达600°C的环境下操作,芯片依然表现出非常高的性能和灵敏度。


  这些结果可能会加速对金刚石MEMS芯片实际应用至关重要的基础技术的研究,并加快开发极其敏感、高速、紧凑和可靠的传感器,这种传感器可以区分轻至单个分子的质量。


  洛阳誉芯金刚石有限公司的CVD单晶金刚石是采用微波等离子法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)制造而成。具有硬度高、耐磨性好、强度高、导热性好、摩擦系数低、抗黏结性好以及优良的抗腐蚀性和化学稳定性,可以刃磨出极其锋利的刀刃,被认为是***理想的超精密切削用刀具材料,在机械加工领域尤其是超精密加工领域有着重要地位并得到广泛应用。


  特点:适用于超精密刀具,特别是加工有色金属材料,如铝(合金)、铜、高分子材料(MMCs)、碳纤维增强塑料(CFPs)。


  零件表面可达到镜面效果,其表面粗糙度可达到Ra-0.1μm以下。

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