納米弦傳感器可開(kāi)拓精密傳感應(yīng)用

從宏觀引力波探測(cè)器到納米級(jí)聲學(xué)器件，具有高長(zhǎng)寬比的機(jī)械諧振器在精密傳感領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，制造方面的挑戰(zhàn)和高昂的計(jì)算成本限制了這些器件的長(zhǎng)度與厚度之比，在納米工程設(shè)計(jì)方面有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和美國(guó)布朗大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新型“納米弦（nanostring）”，由其制成的室溫機(jī)械諧振器具有有史以來(lái)最高的品質(zhì)因數(shù)，可以在前所未有的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)振動(dòng)，幾乎不耗散任何能量。該器件長(zhǎng)度為厘米級(jí)，而直徑僅為納米級(jí)，可用于探測(cè)重力等超微小的力。

納米機(jī)械諧振器是一種微小的振動(dòng)梁，能以極高的諧振頻率（通常在兆赫茲或千兆赫茲范圍內(nèi)）振蕩。它們可用于無(wú)線通信信號(hào)處理，也可用于基礎(chǔ)研究，以檢測(cè)并確定單個(gè)DNA分子或病毒等微小物體的質(zhì)量。后一種應(yīng)用的工作原理是，每當(dāng)一個(gè)小粒子被吸收到振動(dòng)梁上時(shí)，其振動(dòng)的頻率就會(huì)發(fā)生變化，這種變化可以被監(jiān)測(cè)到并用來(lái)計(jì)算粒子的質(zhì)量。

細(xì)長(zhǎng)型諧振器比長(zhǎng)寬比較低的諧振器靈敏度更高，但卻難以制造。在這項(xiàng)最新的研究中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Richard Norte和美國(guó)布朗大學(xué)Miguel Bessa領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)諧振器，并采用先進(jìn)的納米制造工藝克服了這一難題。由此獲得的“納米弦”長(zhǎng)度為3厘米，厚度僅為70納米。

“相當(dāng)于一根用陶瓷材料制成的1毫米粗琴弦，但另一端可以自由懸掛在半公里之外，而且弦本身幾乎沒(méi)有任何下垂。”Norte說(shuō)，“這樣的結(jié)構(gòu)，在日常的宏觀尺度上是不可能制造出來(lái)的?！?/p>

Norte補(bǔ)充說(shuō)，這種新型振動(dòng)傳感器可以記錄科學(xué)研究中遇到的最小的力，其靈敏度過(guò)去只有在接近絕對(duì)零度下才能達(dá)到。其靈敏度源于極高的品質(zhì)因數(shù)，在千赫茲頻率下，其品質(zhì)因數(shù)高達(dá)100億，這意味著納米弦每秒可振動(dòng)100000次，而能量損失極小。

前所未有的靈敏度

多保真貝葉斯優(yōu)化

為了制造這種傳感器，研究人員選擇了一種常用于諧振器的高應(yīng)力材料氮化硅（Si?N?）。通過(guò)利用一種稱(chēng)為多保真貝葉斯優(yōu)化的算法，幫助他們快速有效地找到了優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案。首先，研究人員明確該算法應(yīng)考慮器件置于硅微型芯片上，由幾十納米厚的Si?N?薄片制成，并在幾厘米的長(zhǎng)度上自由懸浮。

“納米弦”諧振器的制造過(guò)程

該算法建議采用長(zhǎng)度為3厘米、長(zhǎng)寬比大于4.3 x 10?的諧振器。為了按照這一苛刻規(guī)格制造，研究人員將Si?N?沉積在用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）技術(shù)制造的2毫米硅晶圓上。然后，他們使用電子束刻蝕或光刻技術(shù)制作了一個(gè)“支架”層，再使用化學(xué)刻蝕技術(shù)將其去除。Norte介紹說(shuō)，最后這一步獲得了在制造過(guò)程中沒(méi)有受到任何額外力的納米弦，否則可能會(huì)導(dǎo)致納米弦坍塌或斷裂。

破紀(jì)錄的品質(zhì)因數(shù)

為了對(duì)該器件進(jìn)行表征，研究小組用壓電臺(tái)使其振動(dòng)，然后使用光學(xué)干涉儀測(cè)量振動(dòng)停止所需的時(shí)間。這些“衰減”測(cè)量結(jié)果提供了有關(guān)諧振器振幅衰減速度的信息，因此也提供了有關(guān)能量耗散速度的信息，這些值隨后被用來(lái)計(jì)算品質(zhì)因數(shù)。對(duì)于一個(gè)3厘米長(zhǎng)的Si?N?納米弦，在室溫下獲得了超過(guò)6.5 x 10?的品質(zhì)因數(shù)，這是迄今有記錄的此類(lèi)機(jī)械夾緊諧振器的最高值。

品質(zhì)因數(shù)驗(yàn)證

該研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊，論文介紹稱(chēng)基于這種微芯片的諧振器幾乎沒(méi)有能量外部損失。他們說(shuō)，這是因?yàn)檎駝?dòng)被“困”在了納米弦的中部。Norte解釋說(shuō)：“這也意味著，來(lái)自我們?nèi)粘８邷丨h(huán)境的噪音也無(wú)法進(jìn)入納米弦的中心，因此它相當(dāng)于被屏蔽了，這也使其能夠感知最微小的力。這有點(diǎn)像秋千，一旦被推動(dòng)，就能一直蕩上近100年，因?yàn)樗鼛缀醪粫?huì)通過(guò)繩索損失任何能量?！?/p>

研究人員現(xiàn)在希望制造出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如膜或鼓面。他們還在研究如何利用高長(zhǎng)寬比的納米技術(shù)制造超薄透鏡或反射鏡。Norte說(shuō)：“這些技術(shù)可應(yīng)用于成像、傳感甚至太空任務(wù)，例如將反射帆送入星際空間的‘突破攝星’計(jì)劃。我們認(rèn)為，這其實(shí)只是納米技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的新玩法的開(kāi)始?！?/p>

審核編輯：彭菁