Иллюстрация многослойного самочувствующего кантилевера АСМ. (a) Схема полимерного сердечника и самочувствующей электроники (один активный пьезорезистор), зажатых между двумя керамическими элементами. Благодаря полимерному сердечнику кантилевер может быть толстым с низкой константой пружины. (b) Оптическое изображение многослойного кантилевера с двумя активными пьезорезисторами. Кредит: Hosseini et al.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — это крошечные устройства, которые объединяют различные компоненты, такие как миниатюрные датчики, электронику и приводы, на одном чипе. Эти небольшие устройства оказались весьма перспективными для точного обнаружения биологических сигналов, ускорения, силы и других измерений.
Большинство МЭМС, разработанных на сегодняшний день, изготовлены из кремния и нитрида кремния. Хотя некоторые из этих устройств достигли многообещающих результатов, их материальный состав и конструкция ограничивают их чувствительность и универсальность, например, ограничивая их использование во влажных средах.
В недавнем Nature ElectronicsВ статье исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) представили инновационную конструкцию кантилевера для МЭМС на основе полимера, полупроводника и керамики. Кантилеверы — это крошечные гибкие балки, которые могут изменять свою форму в ответ на внешние силы или молекулярные взаимодействия, таким образом, потенциально выступая в качестве датчиков или приводов.
«Ранее наша команда работала над полимерными кантилеверами для высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (АСМ) и разработала самочувствительные кантилеверы АСМ на основе МЭМС для промышленных и биологических приложений», — рассказал Tech Xplore доктор Нахид Хоссейни, ведущий автор статьи.
«Однако самочувствительные кантилеверы традиционно сталкивались с трудностями, особенно в достижении высокой чувствительности к силе и обеспечении биосовместимости, поскольку датчики деформации обычно размещаются на внешней поверхности кантилевера МЭМС».
Недавнее исследование доктора Хоссейни и ее коллег было направлено на разработку нового самочувствующего кантилевера, который бы стабильно хорошо работал в сложных условиях, например, в жидкостях. Такой кантилевер может оказаться особенно ценным для биомедицинских приложений, позволяя разрабатывать новые миниатюрные биосенсорные технологии.
Консоль, разработанная исследователями, имеет уникальную слоистую конструкцию, включающую три различных материала.
«Полимерный слой выбран из-за его относительно низкого модуля Юнга, что позволяет кантилеверам быть толстыми, оставаясь достаточно гибкими для высокой чувствительности к отклонению», — пояснил доктор Хоссейни. «Кроме того, полимерные кантилеверы демонстрируют гораздо более быстрые динамические реакции, чем те, что сделаны из кремния или нитрида кремния».
Для полупроводникового слоя кантилевера команда использовала легированный поликремний. Этот слой способствует сенсорным возможностям устройства, повышая его способность обнаруживать небольшие отклонения (т. е. приложенную силу или смещения).
Самочувствующие многослойные кантилеверы являются платформой для различных методов сканирующего зондирования, таких как магнитно-силовая микроскопия (MFM). (a) Схема, показывающая многослойный кантилевер, модифицированный для измерений MFM путем покрытия кончика кантилевера 70 нм Ni81Fe19. Измерения проводились в вакууме с помощью гибридной системы SEM-AFM. (b) Наложение данных топографии и фазы, показывающее интенсивность магнитного поля, создаваемого разделенными наностержнями Ni81Fe19. Вставка представляет собой изображение SEM. Кредит: Hosseini et al.
Наконец, керамический внешний слой устройства инкапсулирует полимерное ядро и его лежащую в основе электронику. Керамика повышает механическую и химическую стабильность устройства, позволяя ему безопасно работать в различных средах.
«Наша герметичная многослойная конструкция обеспечивает быстрое измерение небольших сил и работает даже в агрессивных, непрозрачных жидкостях», – сказал доктор Хоссейни.
«Это также расширяет применение самочувствительных кантилеверов АСМ в более широком диапазоне методов поверхностной характеризации, таких как магнитно-силовая микроскопия (MFM) или зондовая силовая микроскопия Кельвина (KPFM), где поверхность кантилевера должна быть покрыта функциональными слоями».
В рамках своей недавней работы доктор Хоссейни и ее коллеги использовали свою конструкцию для изготовления прототипа устройства MEMS. Первоначальные испытания показали, что это устройство работает замечательно хорошо, постоянно обнаруживая силу и отклонение в различных средах.
«Одним из выдающихся достижений этой работы является создание устройства MEMS, которое сочетает высокую чувствительность к отклонению с механической прочностью», — сказал доктор Хоссайни. «Сочетание полимерного сердечника и легированных поликремниевых датчиков деформации позволяет кантилеверу обнаруживать очень малые силы».
Недавно разработанный кантилевер оказался очень прочным и адаптивным, поэтому он может иметь различные приложения в реальном мире. Например, его можно использовать для обнаружения массовых изменений в химических и биологических образцах, тем самым помогая их характеризации в наномасштабе.
В медицинских учреждениях устройство может поддерживать высокоточную диагностику и подробный мониторинг биологических сигналов. Более того, кантилевер можно использовать для мониторинга естественной среды, обнаруживая небольшие, но значимые изменения в загрязнении.
«В дальнейшем мы планируем продолжить оптимизацию характеристик этих кантилеверов, исследуя новые сочетания материалов и улучшая их чувствительность и долговечность», — добавил доктор Хоссейни. «Основное внимание будет уделяться их интеграции в более сложные системы, такие как микрофлюидные платформы, для расширения их возможностей диагностики и мониторинга в реальном времени».
«Прототипы наших многослойных кантилеверов уже привлекли интерес международных компаний, и я активно изготавливаю эти устройства для использования в различных отраслях промышленности».
Доктор Хоссейни делает кантилевер, представленный в ее статье, доступным для инженеров и производителей по всему миру. В течение следующего года исследователи планируют запустить спин-офф на основе своей запатентованной конструкции, чтобы его могли использовать производители полупроводников и инженеры, разрабатывающие медицинские технологии.
Дополнительная информация: Нахид Хоссейни и др., Полимерно-полупроводниково-керамический кантилевер для высокочувствительных микроэлектромеханических систем, совместимых с жидкостью, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01195-z
Информация о журнале: Nature Electronics
