物質・材料研究機構

単結晶ダイヤモンドMEMSセンサーチップの開発に成功

　物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）は、室温で世界最高レベルの高品質因子（Ｑ値）を持つダイヤモンドカンチレバーおよび世界初の電気信号による駆動と、センシングを一体化した単結晶ダイヤモンドＭＥＭＳセンサーチップの開発に成功した。既存のシリコン製ＭＥＭＳの感度や信頼性を大幅に向上させるダイヤモンドＭＥＭＳという、新しい分野を開く成果として期待される。

　微小な梁（はり）の一端が固定されたカンチレバーと、電子回路を一つの基板上に集積化したＭＥＭＳセンサーは、ガスセンサーや質量分析装置、走査型顕微鏡プローブなどに使われている。今後、防災や医療などの分野で応用が見込まれており、感度や信頼性のさらなる向上が求められている。

　ダイヤモンドは、弾性定数、機械的硬度などが物質中で最高値を有する材料であり、高信頼性、高感度なＭＥＭＳセンサーの実現が期待できるが、その硬度から３次元での微細加工が困難だった。

　研究グループは、イオンビームを用いた加工技術「スマートカット」を開発し、１０年に単結晶ダイヤモンドのカンチレバー作製に成功。しかし、表面の欠陥などが原因で感度は既存のシリコン製のカンチレバーと同等程度だった。

　今回、ダイヤモンド表面を原子スケールでエッチングする技術を新たに開発し、スマートカットで加工した単結晶ダイヤモンドのカンチレバー表面の結晶欠陥を取り除くことで、感度を表す品質の指標「Ｑ値」で世界最高レベルの１００万以上の値を持つダイヤモンドカンチレバーの開発に成功。

　さらに、カンチレバーを振動させる回路と、振動をセンシングする電子回路を同時にカンチレバー上に集積化する新たなＭＥＭＳデバイスコンセプトを提案し、世界で初めて電気信号で駆動する単結晶ダイヤモンドＭＥＭＳチップの実証実験に成功した。

　開発した単結晶ダイヤモンドＭＥＭＳチップを実際に駆動させたところ、高感度、低い動作電圧、高温動作（６００度）などの非常に高い性能を示した。

　今後、この研究成果を基に、ダイヤモンド製のＭＥＭＳチップ実用化に向けた基盤技術を確立することで、単分子の質量の違いを検知できるような超高感度で、高速・小型かつ信頼性の高いセンサーなどへの展開が期待できる。