MEMS结构集成量子传感器，检测器件动态弯曲应力
2026-09-13 15:03:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
日本东北大学的研究团队近期开发出一种创新的方法，通过直接在MEMS器件内部嵌入量子传感器来解决上述问题。该方法能够准确检测MEMS器件何时处于应力状态。这一发现可为未来面向下一代技术的微型化、高集成度金刚石量子器件的研发提供支撑。
微机电系统（MEMS）技术应用于声学传感器（例如麦克风）、惯性传感器（例如加速度计）和生物传感器等领域。MEMS器件实用性极强，但易受物理应力影响，其性能、稳定性和可靠性会因此受损。监测这类应力干扰至关重要，然而在如此微小的结构上加装独立传感器绝非易事。
据麦姆斯咨询介绍，日本东北大学的研究团队近期开发出一种创新的方法，通过直接在MEMS器件内部嵌入量子传感器来解决上述问题。该方法能够准确检测MEMS器件何时处于应力状态。这一发现可为未来面向下一代技术的微型化、高集成度金刚石量子器件的研发提供支撑。相关研究成果已经以“Dynamic Bending Stress Sensing Using NV Centers in a Single-Crystal Diamond MEMS Cantilever”为题，发表于Functional Diamond期刊。
研究人员从氮空位（NV）色心入手打造了设想的量子传感器。NV色心是金刚石晶格中的一种缺陷，它由一个氮原子取代晶格空位旁的碳原子构成。尽管是一种缺陷，NV色心却具备极具实用价值的量子特性。当受到绿色激光照射时，NV色心会发出红色荧光；其电子自旋态可通过微波操控，并且当微波频率与自旋共振频率匹配时，荧光强度会发生变化。这一技术被称为光探测磁共振，简称ODMR。ODMR的共振频率不仅对磁场敏感，对温度和机械应力同样敏感。
单晶金刚石MEMS悬臂梁由单晶金刚石层（SCD-CVD层）、离子注入诱导缺陷层和石墨牺牲层组成。
研究团队观察了单晶金刚石MEMS悬臂梁内部形成的NV色心。悬臂梁是一种一端由基座支撑、另一端无支撑的结构，就像钟表的指针一样。因此，当MEMS受到机械应力时，悬臂梁的无支撑端会发生振动，这些运动会传递至整个系统，导致NV色心的共振频率向相反方向偏移。
研究表明，NV色心同样会对悬臂梁振动的变化做出反应，这意味着NV色心并非仅对静态形变产生响应，还可用于探测振动MEMS结构不断变化的应力状态。这一点至关重要，因为我们不仅要检测有无机械应力，还要了解应力是否在变化，以及属于何种类型的应力。
研究团队采用（100）取向的单晶金刚石衬底制备了微悬臂梁。当悬臂梁振动时，由挠度引起的表面应力会发生相应变化。此外，悬臂梁表面附近NV色心的光探测磁共振（ODMR）谱也会随之改变。NV色心的ODMR谱包含对应四个晶轴的多个峰，并且这些峰的位置会随施加应力方向发生偏移，因此，可以通过NV色心ODMR谱的峰移来检测悬臂梁的振动情况。
采用共聚焦光学技术的荧光测量系统
为了实现MHz级峰移的检测，悬臂梁的设计需保证其振动时在表面施加至少0.1 GPa的应力。为施加应力，研究人员采用设置在器件下方的压电（PZT）执行器来驱动该MEMS器件，并通过激光多普勒测振仪进行表征。该悬臂梁的共振频率经测定为28.3 kHz。
动态弯曲应力下的ODMR检测结果：（a）拉伸应力下观察到的共振频率偏移；（b）压迫应力下观察到的共振频率偏移；（c）弯曲应力与ODMR频率偏移之间的关系；（d）与振动相位同步的周期性频率偏移。
在实验中，通过振动金刚石悬臂并施加应力，研究人员对ODMR谱进行了测量，发现沿悬臂梁方向的拉伸应力和压迫应力会导致峰发生位移。当施加拉伸应力时，峰向更高频率位移；而压迫应力则使峰向更低频率位移。这些峰位移具有应力方向的特征。
随着所施加应力的增大，ODMR谱峰位移的幅度也随之增大。观测到的位移幅度与此前报道的NV色心应力相关共振响应处于同一数量级。同时还发现，ODMR谱峰位移的幅度随悬臂的振动周期呈周期性变化。
基于上述结果，可以得出结论：利用单晶金刚石悬臂，在静磁场下通过测量ODMR谱峰位移幅度随振动相位的变化，可以实现对悬臂梁方向应力的传感。本方案的优势在于，含NV色心的传感区域直接集成于单晶金刚石悬臂内部，无需在机械结构上单独设置并固定金刚石传感元件。这种集成结构使含NV色心的区域能够直接承受悬臂的弯曲应力，还能在周期性振动的不同相位下研究ODMR响应。
“这项研究最令人兴奋的一点是，量子传感器作为MEMS器件本身的一部分制成。”东北大学的Masaya Toda介绍说，“我们已经证明，这种集成的NV色心区域可以作为有效的应力传感器，按预期对拉伸和压迫弯曲做出响应。换句话说，机械结构和量子传感功能可以在单个金刚石器件中一起制造。”
综上，该研究提供了在同一单晶金刚石结构中构建一体化系统的平台。实验结果证明了在单晶金刚石MEMS悬臂梁内部利用含NV色心的传感区，可以实现动态弯曲应力的检测。这不仅对应力传感具有重要意义，还将助力研究机械变形与量子自旋态之间的相互作用。从工程角度来看，这项研究展示了一种先进的微纳制造方法，可在不附加独立传感元件的情况下将量子传感区域集成到MEMS结构中。研究团队希望在未来的研究中进一步提升该系统的精度。
论文链接：http://doi.org/10.1080/26941112.2026.2721758
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