基于微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）技术制备的微型力传感器，能够在微牛顿和亚微牛顿范围内对力进行精确测量。MEMS/NEMS力传感器采用的传感原理多种多样，例如压阻、电容、光学、压电及磁性，以检测和量化施加的力。其中，压阻式传感器因其抗静电干扰能力强、读出电路简单、噪声低、易于集成和批量生产，以及具有小型化潜力等优势而备受青睐。一维硅（Si）结构，尤其是亚微米硅纳米线（SiNW），因其成熟的半导体制造工艺以及压阻特性优势，被认为是架起MEMS和NEMS之间桥梁的理想材料。硅纳米线的小型化优势和高灵敏度，为开发嵌入式或悬浮式压阻硅纳米线提供了支持，有望助力传感器实现低功耗、低噪声和小型化等多重目标。
据麦姆斯咨询报道，近期，科奇大学（Koc University）的研究团队开发出一种基于压阻式硅纳米线的多轴NEMS力传感器。在传感器设计中集成微纳米级组件是一项极具挑战性的任务，这项研究的创新之处在于开发和制造了悬浮硅纳米线结构，实现了高分辨率和灵活的平面内力传感，并避免了传统方法中的侧壁掺杂工艺。值得注意的是，该NEMS力传感器的小型化穿梭结构（10 × 10 µm²），使其成为极小表面高精度力测量应用的理想选择。此外，该NEMS力传感器可以构成二维阵列，类似于屏幕像素排列，能够扫描和分析更大的面积，并对每个“像素”的力大小和方向进行精确测量。相关研究成果以“Multiscale Fabrication and Characterization of a NEMS Force Sensor”为题发表在Advanced Materials Technologies期刊上。
这项研究提出的NEMS力传感器采用了创新的设计策略，利用悬浮式亚微米硅纳米线来检测微牛顿范围内的多轴力，其结构巧妙地结合了微型穿梭装置、纳米线压阻元件以及固定弹簧。该传感器制造过程涉及在绝缘体上硅（SOI）晶圆上进行一系列复杂的硅深蚀刻、掺杂、金属化、释放及封装工艺。
图1 本研究提出的NEMS力传感器的设计和制造工艺流程
图2 NEMS力传感器的微纳加工表征
研究人员对该NEMS力传感器各项性能进行了验证。机电性能测试结果表明，该传感器在高达10%的机械应变水平下仍具有可靠性，并且测量系数稳定。动态响应分析结果表明，该传感器在空气中的谐振频率为12.34 MHz，品质因子为700，与仿真结果高度一致。热特性分析结果表明，该传感器的电阻温度系数为6.4 × 10⁻⁴℃。气流测试结果表明，该传感器能够检测强气流，在持续气流作用下阻力变化可达2.02%。研究团队通过将该NEMS力传感器集成到气体流量测量装置中，进一步验证了其在微小力检测方面的多功能性，展示了该传感器在流量传感领域的应用潜力，并为后续深入研究其热机械效应奠定了基础。
图3 NEMS力传感器对纳米操纵器受控负载的机械响应和电气响应
图4 NEMS力传感器的动态响应和谐振频率分析
图5 用于流量传感和电阻温度系数表征的实验装置
图6 NEMS力传感器在氮气流下的响应结果
研究人员表示，未来还可以将这种表面分布的NEMS力传感器组成n × m阵列配置，并结合时钟和时域多路复用器，使其能够对每个单元施加的力大小和方向进行详细扫描分析。为了确保每个单元在供电时与其它单元有效隔离，可在水平和垂直方向上集成二极管网络，从而防止串扰并提高测量精度。总之，这项研究提出的NEMS力传感器有望以极高的空间分辨率量化表面力分布，未来可广泛应用于微型喷嘴的力测量以及机械生物学的牵引力显微镜等领域。
论文信息：
https://doi.org/10.1002/admt.202400022
