近期，一個由日本國立材料研究所（NIMS）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功地研制出一種高質(zhì)量的金剛石懸臂，在室溫下具有最高的質(zhì)量（Q）因子值。該小組還首次在世界上成功開發(fā)出能夠由電信號驅(qū)動和感測的單晶金剛石微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）傳感器芯片。這些成果可以推廣金剛石微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的研究，比現(xiàn)有的硅微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）具有更高的靈敏度和更高的可靠性。

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       MEMS傳感器——其中微懸臂梁（固定在一端的投影光束）和電子電路集成在單個襯底上——已經(jīng)用于氣體傳感器、質(zhì)量分析儀和掃描顯微鏡探針。MEMS傳感器在防災(zāi)、醫(yī)學(xué)等更廣泛的領(lǐng)域中的應(yīng)用需要進(jìn)一步提高其靈敏度和可靠性。金剛石的彈性常數(shù)和機(jī)械常數(shù)是所有材料中最高的，使其有望用于開發(fā)高可靠和超靈敏的MEMS傳感器。然而，由于金剛石的高硬度，三維微加工是困難的。該研究小組開發(fā)了一種“智能切割”的制造方法，使得能夠利用離子束對金剛石進(jìn)行微加工，并在2010年成功地制造了單晶金剛石懸臂。然而，由于存在表面缺陷，金剛石懸臂梁的質(zhì)量因子與現(xiàn)有硅懸臂梁的質(zhì)量因子相似。

圖：通過該研究開發(fā)的金剛石MEMS芯片的顯微照片以及集成到芯片中的一個金剛石懸臂。

       研究小組隨后開發(fā)了一種新的技術(shù)，在金剛石表面進(jìn)行原子刻蝕。這種蝕刻技術(shù)允許去除使用智能切割方法制造的單晶金剛石懸臂梁底表面的缺陷。所得到的懸臂梁的Q因子值——一個用于測量懸臂梁靈敏度的參數(shù)——超過100萬，居世界最高之列。該小組隨后提出了一個新的MEMS器件概念：同時集成懸臂梁、振蕩懸臂梁的電子電路和感測懸臂梁振動的電子電路。最后，該課題組研制出可由電信號驅(qū)動的單晶金剛石MEMS芯片，并在世界范圍內(nèi)首次成功演示了其工作原理。該芯片具有高性能，高靈敏度，能夠在低電壓和高至600℃的溫度下工作。

       這些結(jié)果可以加速金剛石MEMS芯片的實際應(yīng)用，尤其是至關(guān)重要的基礎(chǔ)技術(shù)的研究，有望開發(fā)出超靈敏、高速、緊湊、高性能、極其可靠的傳感器，能夠區(qū)分單分子一樣輕的質(zhì)量。