2026年9月9日——微机电系统（MEMS）是用于麦克风、加速度计和生物传感器等技术的微型器件。MEMS非常有用，但容易受到物理应力的影响，从而影响其性能、稳定性和可靠性。追踪这种干扰很重要，但在如此微小的结构上附加独立传感器并非易事。

日本东北大学的研究人员开发了一种方法，通过使传感区域成为机械器件本身的一部分来解决这一问题。这种创新方法能够精确检测MEMS何时处于应力之下。这一发现可支持未来开发用于下一代技术的紧凑且高度集成的金刚石量子器件。

为了制造理想的传感器，他们首先研究了一种不太理想的东西：缺陷。氮空位（NV）色心是金刚石晶格中的一种缺陷。它由一个氮原子取代紧邻空位晶格位点的一个碳原子而构成。尽管是一种缺陷，NV色心却具有非常有用的量子特性。当被绿色激光照射时，NV色心会发出红色荧光。其电子自旋态可通过微波操控，当微波频率与自旋共振频率匹配时，荧光强度会发生变化。这种技术称为光学检测磁共振，即ODMR。这对检测机械应力有何用？ODMR共振频率不仅对磁场敏感，也对温度和机械应力敏感。

研究团队考察了形成于单晶金刚石MEMS悬臂内部的NV色心。悬臂是一种一端由基底支撑、另一端悬空的结构，就像时钟的指针。因此，当MEMS受到机械应力时，悬臂的未支撑端会振动，这些运动传遍整个系统，引发NV色心共振向相反方向偏移。

研究报告称，NV色心也会对悬臂振动的变化作出响应，这意味着NV色心并非仅对静态形变作出响应，而是可用于探测振动MEMS结构不断变化的应力状态。这一点至关重要，因为人们不仅希望检测机械应力是否存在，还希望了解这种应力是否正在变化以及它是何种应力。

“这项工作最令人兴奋的方面在于，量子传感器是作为MEMS制造工艺本身的一部分形成的，”Masaya Toda（日本东北大学）说。“我们能够证明，这个集成的NV色心区域可作为一种有效的应力传感器，对拉伸和压缩弯曲都按预期作出响应。换句话说，机械结构和量子传感功能可以在单个金刚石器件中一起创建。”

该研究提供了一个平台，可在同一单晶金刚石结构中创建一体化系统。这不仅有助于应力传感，也有助于研究机械形变与量子自旋态之间的相互作用。从工程角度看，这项工作展示了一条将量子传感区域集成到MEMS结构中的制造路径，而无需附加独立的传感元件。该团队希望在未来研究中继续提高该系统的精度。