МЭМС-устройства используют в микрофонах, акселерометрах и биосенсорах
Ученые Университета Тохоку разработали способ встроить квантовый датчик прямо в микроэлектромеханическую систему (МЭМС), а не крепить его отдельным блоком. Работа опубликована в журнале Functional Diamond. МЭМС-устройства используют в микрофонах, акселерометрах и биосенсорах. Это крошечные механические структуры, размещенные на кристалле. Механическое напряжение может ухудшать их работу, снижать стабильность и ускорять износ. При этом установить отдельный датчик напряжения на такую миниатюрную конструкцию практически невозможно.
Команда из Тохоку предложила другое решение. Чувствительный элемент встроили непосредственно в механическую структуру МЭМС. Такой подход позволяет измерять механическое напряжение без отдельного внешнего датчика и не требует увеличивать размеры устройства.
Исследователи из Университета Тохоку предложили встроить сенсор непосредственно в конструкцию МЭМСВ основе решения — азотно-вакансионный центр, или NV-центр: дефект в кристаллической решетке алмаза, где атом азота замещает атом углерода рядом с пустующим узлом решетки. Несмотря на то что это именно дефект, у него есть полезное квантовое свойство.
При облучении зеленым лазером NV-центр испускает красную флуоресценцию, а его электронный спин можно менять микроволнами: когда частота микроволн совпадает с резонансной частотой спина, интенсивность флуоресценции меняется. Этот эффект называется оптически детектируемым магнитным резонансом, или ODMR, и его резонансная частота чувствительна не только к магнитным полям, но и к температуре и механическому напряжению.
Исследователи разместили NV-центры внутри монокристаллической алмазной МЭМС-балки — консольной структуры, закрепленной с одного края и свободной с другого, как стрелка часов. Когда на балку действует механическое напряжение, свободный конец начинает колебаться, и эти колебания сдвигают резонанс NV-центров в разные стороны в зависимости от того, растягивается или сжимается материал.
Эксперименты показали, что встроенный сенсор способен фиксировать напряжение при изгибе и различать растяжение и сжатиеОказалось, что NV-центры реагируют не только на статичную деформацию, но и на изменения колебаний балки в реальном времени. Датчик различает не просто наличие напряжения, а его динамику и характер.
«Самое интересное в этой работе то, что квантовый датчик формируется прямо в процессе изготовления самой МЭМС», — рассказал Масая Тода из Университета Тохоку.По его словам, команда показала, что встроенная зона NV-центров работает как эффективный датчик и на растяжение, и на сжатие, а значит механическую структуру и функцию квантового считывания можно создавать одновременно в едином алмазном устройстве.
В одном кристалле алмаза можно одновременно разместить механическую конструкцию и сенсор. Это позволяет не только измерять напряжение, но и изучать, как механическая деформация влияет на квантовые спиновые состояния. С инженерной точки зрения это готовый способ встраивать зону квантового считывания непосредственно в МЭМС без отдельного чувствительного элемента. Дальше команда планирует повышать точность системы.
Ранее мы писали о том, что на алмазах уже построили первый в мире портативный квантовый компьютер, который можно включить в обычную розетку.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
