突破瓶颈！Nature Electronics揭示高性能MEMS器件的创新设计！

【科学背景】

随着微电子机械系统（MEMS）技术的快速发展，集成电子传感和驱动功能的活跃MEMS器件在力、加速度和生物分析物的测量中引起了广泛关注。尤其在原子力显微镜（AFM）领域，MEMS悬臂的应用使得在纳米尺度下的样品探测成为可能。然而，传统MEMS材料（如硅、氮化硅）由于其高杨氏模量，限制了器件的厚度，从而影响了挠度灵敏度（DS）和力敏感性（FS）的表现，这在许多应用中成为了一大瓶颈。

自感知MEMS悬臂是一种通过集成的应变传感器，从而能够实时监测挠度。尽管自感知悬臂具有一定的优势，但其力敏感性和信噪比仍然低于光学检测的悬臂，因此在AFM等高精度应用中未能得到广泛应用。此问题的根本原因在于自感知悬臂在不同测量量的灵敏度上存在差异，尤其是在力传感方面，受限于材料的弹性特性和传感器的灵敏度。

为此，科学家们开始探索将低杨氏模量的聚合物材料应用于MEMS器件的可能性。这种材料的使用有助于实现更厚的悬臂设计，同时保持较低的弹性模量常数，从而提升挠度灵敏度。然而，高温沉积半导体以实现高性能应变传感器与聚合物材料的兼容性问题也亟待解决。

为了填补这一知识空白，马洛桑联邦理工学院（EPFL）Georg E. Fantner教授团队在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems”的最新论文。本研究提出了一种新型的MEMS微加工平台，能够创建具有集成半导体电子元件的聚合物悬臂。通过采用三层结构，悬臂核心由聚合物材料制成，两侧则是陶瓷氮化硅层，这一设计不仅确保了器件的机械性能，也有效隔离了传感电子元件与外部环境的影响，使得悬臂在液体环境中表现出良好的兼容性。我们开发的多层制造方法使得高温工艺与聚合物加工分离，从而克服了传统方法的局限性。

【科学亮点】

（1）实验首次展示了集成半导体电子元件的聚合物MEMS悬臂，成功实现了厚且柔软的三层结构。通过该平台，研究团队能够有效地提高MEMS设备的挠度灵敏度（DS）和力敏感性（FS）。

（2）实验采用了多层制造方法，将高温工艺与聚合物工艺分开，从而在不损坏聚合物层的情况下，实现了压电电阻应变传感器的沉积和掺杂。结果显示，三层悬臂的力噪声相比传统硅悬臂降低了六倍，显著提升了传感性能。

（3）研究还表明，嵌入聚合物内部的传感电子元件有效隔离了环境影响，使得悬臂具有良好的流体兼容性。这一特性使悬臂可以在苛刻的液体环境中稳定工作，例如在氯化铁溶液中持续成像五小时而不发生降解。

（4）通过集成高性能电子元件，本文的聚合物MEMS不仅适用于自感知原子力显微镜（AFM），还可扩展至生物分子检测等多种应用，展现了良好的应用前景。

【科学图文】

图 1：不同读出机制中的力转电压。

图 2：三层悬臂梁的概念及性能。

图 3：三层技术的理论与实验评估。

图 4：三层悬臂梁在真空中用于 AM-AFM 的高跟踪带宽。

图 5：三层悬臂梁作为多种扫描探针技术的平台。

图 6：用于流体密封膜表面应力传感的三层 MEMS。

【科学结论】

本文的研究展示了将聚合物、半导体和陶瓷材料集成到微电子机械系统（MEMS）中的创新思路，为自感知传感器的设计与应用开辟了新的方向。通过优化三层结构的制造方法，研究者成功克服了传统MEMS材料在厚度和弹性上的局限，使得悬臂可以在保持高灵敏度的同时具备更大的柔韧性。这一进展不仅提高了悬臂在各种复杂环境中的适应能力，也为生物传感器等实际应用提供了更为可靠的解决方案。

此外，研究强调了选择合适材料的重要性。聚合物的低杨氏模量使得悬臂能够在较大的厚度下保持低的弹簧常数，从而在自感知性能上具有显著优势。这一发现启示我们在设计新型传感器时，可以通过材料组合与结构优化，达到理想的性能平衡。

更重要的是，本研究为未来的MEMS技术提供了一个可扩展的平台，允许更多功能的电子元件集成。这种灵活的设计思路可以为更复杂的传感和驱动系统提供基础，助力在生物医学、环境监测和纳米技术等多个领域的应用创新。

文献信息：Hosseini, N., Neuenschwander, M., Adams, J.D. et al. A polymer–semiconductor–ceramic cantilever for high-sensitivity fluid-compatible microelectromechanical systems. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01195-z