日本东北大学研究团队近日在《功能金刚石》期刊发表成果，成功将金刚石氮空位中心直接嵌入微机电系统微悬臂梁结构中，使器件自身兼具机械支撑与量子传感双重功能。该方案突破了传统微型设备需外接应力传感器的物理限制，首次实现纳米尺度弯折应力的原位、动态监测。
微机电系统广泛应用于工业加速度计、声学换能器及微型生物传感器等领域，但其微米级悬臂结构对微小振动或弯曲形变极为敏感。以往为追踪内部应力分布，工程师往往面临安装空间不足、外部引线引入寄生参数以及校准困难等难题。东北大学团队另辟蹊径，利用金刚石晶格中的氮空位缺陷作为量子传感器，在微机电系统标准制造工艺中直接将其植入悬臂梁本体，彻底省去了独立传感元件的封装环节。这一思路打破了先造结构后贴探头的传统开发逻辑，将传感节点前置到材料生长阶段。
光学探测磁共振实现应力实时解耦
该技术核心依赖于光学探测磁共振机制。当特定波长的绿光激光照射时，氮空位中心会激发出特征荧光；叠加微波场后，其电子自旋态发生跃迁。磁场强度、环境温度波动以及施加的机械应力变化，均会反映在共振频率的偏移量上。通过高精度光谱采集与锁相放大电路，研究人员能够同步捕捉静态载荷与高频动态振动引起的应力响应，分辨率达到纳米级形变量级。相较于传统光纤布拉格光栅或薄膜应变片，该方法无需导电介质接触，从根本上规避了电化学腐蚀与接触电阻漂移风险。
与传统压阻式或电容式应力探头相比，内置量子传感器的优势在于极高的空间集成度与抗电磁干扰能力。户田正弥等核心研究员指出，量子传感单元已完全融入微机电系统光刻与刻蚀流程，机械结构与传感功能在单颗金刚石器件内完成一体化成型。这种设计不仅大幅缩减了模组体积，还避免了外部导线带来的热漂移与信号衰减问题，使器件在极端工况下仍能保持线性输出。更重要的是，该集成方式可直接兼容现有硅基产线，降低了跨界研发的工艺迁移成本。
高集成度推动下一代精密传感布局
从工程落地角度看，该工艺为微型化、低功耗传感终端提供了全新架构。未来紧凑型金刚石量子器件有望成为超高灵敏度生物检测芯片的核心组件，用于捕获单分子结合力或细胞微环境力学变化。该技术可为量子增强型惯性导航系统提供微型化应力校准基准，解决飞行器或无人平台在强振动环境下惯性测量单元零偏累积的行业痛点。在基础科研层面，它也为探索机械形变与量子自旋态耦合机制提供了高度可控的实验平台。
日本在微纳加工与特种材料领域具备深厚积累，尤其在单晶金刚石化学气相沉积外延生长与离子注入掺杂方面已形成完整产业链。此次技术突破依托当地成熟的半导体级洁净室与超快激光微加工设施，反映出日本在高端精密仪器底层元器件自主化方面的持续投入。随着量子传感向商业化迈进，相关工艺良率控制、晶圆级量产能力以及封装应力释放管理将成为关键竞争壁垒。国内设备商若跟进研发，需重点攻克金刚石与硅基衬底的异质键合界面控制难题，防止热膨胀系数差异导致微裂纹扩展。
对于国内采购方与研发机构而言，该路线提示了微型应力监测的新范式。在选型阶段，若项目涉及高频振动环境下的微流控芯片、微机电系统陀螺仪或植入式医疗传感器，可重点关注具备金刚石基量子传感模块的供应商。目前海外厂商多采用定制化晶圆代工模式，国内企业若推进同类器件研发，需提前布局高纯度化学气相沉积金刚石衬底采购渠道，并建立光学探测磁共振测试标定规范。考虑到金刚石材料硬度极高且脆性大，后续切割与抛光工艺将直接影响氮空位中心的局域电场均匀性，建议在打样阶段优先验证晶圆边缘应力分布与荧光亮度一致性。
运维端需重视量子传感器的环境补偿策略。由于氮空位中心共振频率对温度高度敏感，实际部署时应配套微型热电制冷器或软件算法进行温漂校正。在供应链对接时，建议要求厂商提供完整的应力频率线性度曲线与长期稳定性数据，避免因封装残余应力导致零点漂移。此类高集成度量子器件的导入，将有效降低微型装备的组装复杂度与全生命周期维护成本。国内下游整机厂可借此机会优化传感器布阵方案，逐步淘汰体积庞大且易受干扰的外置应力计，向微型化、智能化感知终端转型，并在核心材料国产化替代窗口期抢占专利布局先机。