Встроенный квантовый датчик определяет напряжение при изгибе в микроскопических устройствах

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это миниатюрные устройства, используемые в таких технологиях, как микрофоны, акселерометры и биосенсоры. МЭМС очень полезны, но подвержены физическим нагрузкам, которые влияют на их производительность, стабильность и надежность. Отслеживать эти помехи важно, но прикрепить отдельный датчик к такой миниатюрной конструкции - задача не из легких.

Исследователи из Университета Тохоку разработали подход, который решает эту проблему, превращая чувствительную область в часть самого механического устройства. Этот инновационный подход позволяет исследователям точно определять, когда МЭМС находятся под напряжением. Это открытие может помочь в разработке компактных, высокоинтегрированных алмазных квантовых устройств для технологий следующего поколения.

Исследование опубликовано в журнале Functional Diamond.

Чтобы создать идеальный датчик, они начали с изучения чего-то, что несколько отличалось от идеала: дефекта. Азотно-вакансионный центр (NV) - это дефект в кристаллической решетке алмаза. Он состоит из атома азота, замещающего один атом углерода рядом с вакантным участком решетки. Несмотря на то, что NV-центр является дефектом, он обладает полезными квантовыми свойствами.

При освещении зеленым лазерным лучом NV-центр излучает красную флуоресценцию. Его электронным спиновым состоянием можно управлять с помощью микроволн, и интенсивность флуоресценции меняется, когда частота микроволн совпадает с частотой спинового резонанса.

Этот метод называется оптически детектируемым магнитным резонансом, или ODMR. Как это полезно для обнаружения механических воздействий? Резонансная частота ODMR чувствительна не только к магнитным полям, но и к температуре и механическим нагрузкам.

Исследовательская группа изучала центры NV, сформированные внутри монокристаллического алмазного MEMS-кантилевера. Консоль - это конструкция, опирающаяся на основание с одного конца и не имеющая опоры с другого, как стрелка часов. Следовательно, когда MEMS подвергается механическому воздействию, неподдерживаемый конец кантилевера вибрирует, и эти движения распространяются по всей системе, вызывая сдвиг резонанса центров NV в противоположных направлениях.

В исследовании сообщается, что NV-центры также реагировали на изменения в вибрациях консоли, а это означает, что NV-центры не просто реагировали на статическую деформацию, но и могли использоваться для измерения изменения напряженного состояния вибрирующей MEMS-структуры. Это очень важно, поскольку исследователи хотят определить не только наличие или отсутствие механического напряжения, но и то, меняется ли это напряжение и какого рода оно является.

"The most exciting aspect of this work is that the quantum sensor is formed as part of the MEMS fabrication process itself," says Masaya Toda (Tohoku University).

"We were able to show that this integrated NV center region functions as an effective stress sensor, responding as expected to both tensile and compressive bending. In other words, the mechanical structure and the quantum-sensing function can be created together within a single diamond device."

The study provides a platform to create an all-in-one system in the same single-crystal diamond structure. This is useful not only for stress sensing but also for research on interactions between mechanical deformation and quantum spin states.

From an engineering perspective, the work demonstrates a fabrication route for integrating a quantum-sensing region into a MEMS structure without attaching a separate sensing element. The team hopes to continue improving the accuracy of this system in future studies.