振动时“几乎不损失能量”的纳米弦传感器，开拓精密传感应用
2024-06-19 10:19:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

从宏观引力波探测器到纳米级声学器件，具有高长宽比的机械谐振器在精密传感领域发挥着举足轻重的作用。然而，制造方面的挑战和高昂的计算成本限制了这些器件的长度与厚度之比，在纳米工程设计方面有待进一步开发。

据麦姆斯咨询介绍，荷兰代尔夫特理工大学和美国布朗大学的研究人员开发出了一种新型“纳米弦（nanostring）”，由其制成的室温机械谐振器具有有史以来最高的品质因数，可以在前所未有的长时间内振动，几乎不耗散任何能量。该器件长度为厘米级，而直径仅为纳米级，可用于探测重力等超微小的力。

纳米机械谐振器是一种微小的振动梁，能以极高的谐振频率（通常在兆赫兹或千兆赫兹范围内）振荡。它们可用于无线通信信号处理，也可用于基础研究，以检测并确定单个DNA分子或病毒等微小物体的质量。后一种应用的工作原理是，每当一个小粒子被吸收到振动梁上时，其振动的频率就会发生变化，这种变化可以被监测到并用来计算粒子的质量。

细长型谐振器比长宽比较低的谐振器灵敏度更高，但却难以制造。在这项最新的研究中，荷兰代尔夫特理工大学Richard Norte和美国布朗大学Miguel Bessa领导的联合研究团队利用机器学习设计谐振器，并采用先进的纳米制造工艺克服了这一难题。由此获得的“纳米弦”长度为3厘米，厚度仅为70纳米。

“相当于一根用陶瓷材料制成的1毫米粗琴弦，但另一端可以自由悬挂在半公里之外，而且弦本身几乎没有任何下垂。”Norte说，“这样的结构，在日常的宏观尺度上是不可能制造出来的。”

Norte补充说，这种新型振动传感器可以记录科学研究中遇到的最小的力，其灵敏度过去只有在接近绝对零度下才能达到。其灵敏度源于极高的品质因数，在千赫兹频率下，其品质因数高达100亿，这意味着纳米弦每秒可振动100000次，而能量损失极小。

前所未有的灵敏度

多保真贝叶斯优化

为了制造这种传感器，研究人员选择了一种常用于谐振器的高应力材料氮化硅（Si₃N₄）。通过利用一种称为多保真贝叶斯优化的算法，帮助他们快速有效地找到了优选的设计方案。首先，研究人员明确该算法应考虑器件置于硅微型芯片上，由几十纳米厚的Si₃N₄薄片制成，并在几厘米的长度上自由悬浮。

“纳米弦”谐振器的制造过程

该算法建议采用长度为3厘米、长宽比大于4.3 x 10⁵的谐振器。为了按照这一苛刻规格制造，研究人员将Si₃N₄沉积在用低压化学气相沉积（LPCVD）技术制造的2毫米硅晶圆上。然后，他们使用电子束刻蚀或光刻技术制作了一个“支架”层，再使用化学刻蚀技术将其去除。Norte介绍说，最后这一步获得了在制造过程中没有受到任何额外力的纳米弦，否则可能会导致纳米弦坍塌或断裂。

破纪录的品质因数

为了对该器件进行表征，研究小组用压电台使其振动，然后使用光学干涉仪测量振动停止所需的时间。这些“衰减”测量结果提供了有关谐振器振幅衰减速度的信息，因此也提供了有关能量耗散速度的信息，这些值随后被用来计算品质因数。对于一个3厘米长的Si₃N₄纳米弦，在室温下获得了超过6.5 x 10⁹的品质因数，这是迄今有记录的此类机械夹紧谐振器的最高值。

品质因数验证

该研究成果已发表于Nature Communications期刊，论文介绍称基于这种微芯片的谐振器几乎没有能量外部损失。他们说，这是因为振动被“困”在了纳米弦的中部。Norte解释说：“这也意味着，来自我们日常高温环境的噪音也无法进入纳米弦的中心，因此它相当于被屏蔽了，这也使其能够感知最微小的力。这有点像秋千，一旦被推动，就能一直荡上近100年，因为它几乎不会通过绳索损失任何能量。”

研究人员现在希望制造出更复杂的结构，如膜或鼓面。他们还在研究如何利用高长宽比的纳米技术制造超薄透镜或反射镜。Norte说：“这些技术可应用于成像、传感甚至太空任务，例如将反射帆送入星际空间的‘突破摄星’计划。我们认为，这其实只是纳米技术与机器学习相结合的新玩法的开始。”

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