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 разработанных на сегодняшний день МЭМС 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 недавней статье Nature Electronics 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 применений», — 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 MEMS».

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.

Разработанная исследователями консоль имеет уникальную многослойную конструкцию, включающую три различных материала.

« Полимерный слой выбран из-за его относительно низкого модуля Юнга, что позволяет кантилеверу быть толстым, оставаясь при этом достаточно гибким для высокой чувствительности к отклонению», — пояснил доктор Хоссейни. «Кроме того, кантилеверы на основе полимера демонстрируют гораздо более быстрые динамические отклики, чем кантилеверы 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).

Наконец, керамический внешний слой устройства инкапсулирует полимерное ядро ​​и его базовую электронику. Керамика повышает механическую и химическую стабильность устройства, позволяя ему безопасно работать в различных средах.

«Наша герметичная многослойная конструкция позволяет быстро измерять небольшие силы и работает даже в агрессивных, непрозрачных жидкостях», — сказал доктор Хоссейни.

«Это также расширяет применение самочувствительных кантилеверов АСМ в более широком диапазоне методов исследования поверхности, 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 разработку для изготовления прототипа устройства MEMS. Первоначальные испытания показали, что это устройство работает замечательно хорошо, последовательно определяя 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 реальные применения. Например, его можно использовать для обнаружения изменений массы в химических и биологических образцах, тем самым способствуя их характеризации в наномасштабе.

В медицинских учреждениях устройство может поддерживать высокоточную диагностику и подробный мониторинг биологических сигналов. Кроме того, консоль может использоваться для мониторинга природной среды, обнаруживая небольшие, но значимые изменения в загрязнении.

«В дальнейшем мы планируем продолжить оптимизацию производительности этих кантилеверов, исследуя новые комбинации материалов и совершенствуя 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 консолей уже вызвали интерес у международных компаний, и я активно занимаюсь изготовлением этих устройств для использования в различных отраслях промышленности».

Доктор Хоссейни делает консоль , представленную в ее статье, доступной для инженеров и производителей по всему миру. В течение следующего года исследователи планируют запустить спин-офф на основе их запатентованной конструкции, чтобы ее могли использовать производители полупроводников и инженеры, разрабатывающие медицинские технологии.