MEMS一体型の単結晶ダイヤモンド量子センサー実現 ―振動中の曲げ応力を直接検出―

2026-09-03 東北大学

本研究は、単結晶ダイヤモンド(SCD)製MEMSカンチレバーに埋め込んだNVセンターを、振動による曲げ応力を直接測定する量子センサーとして利用する技術を実証したものです。カンチレバー内部の引張・圧縮応力に応じてNVセンターのODMR共鳴周波数が変化し、19.8 MHz/GPaの感度を確認しました。さらに、振動に同期した周期的な周波数シフトを検出し、動的な曲げ応力の計測にも成功しました。量子センシング機能とMEMS機械構造を単一のダイヤモンドデバイスに集積できることを示しており、MEMSの状態監視や小型・高感度な応力センシングへの応用が期待されます。

MEMS一体型の単結晶ダイヤモンド量子センサー実現 ―振動中の曲げ応力を直接検出―

図1. 作製した単結晶ダイヤモンドMEMSカンチレバー

<関連情報>

単結晶ダイヤモンドMEMSカンチレバーにおけるNV中心を用いた動的曲げ応力センシング Dynamic Bending Stress Sensing Using NV Centers in a Single-Crystal Diamond MEMS Cantilever

Yuta Ochiai,Vu Xuan Tung Duong,Zilong Zhang,Takahito Ono,Meiyong Liao & Masaya Toda
Functional Diamond  Published:28 Aug 2026
DOI:https://doi.org/10.1080/26941112.2026.2721758

Abstract

In this study, a single-crystal diamond (SCD) MEMS cantilever was fabricated using a buried graphite sacrificial-layer process. A region containing nitrogen-vacancy (NV) centers formed near the ion-implantation-induced defective layer was directly utilized as the stress-sensing region of the released cantilever, enabling dynamic stress sensing without the use of externally attached nanodiamonds. We investigated the relationship between the stress induced by the cantilever vibration and the peak shift of the fluorescence intensity of the optically detected magnetic resonance (ODMR) spectrum. By approximately aligning the static magnetic field with one of the four NV-center crystallographic axes, we were able to evaluate the dependence of the peak shift on stress. Our findings revealed that the peak shift can effectively detect uniaxial stress due to normal vibration. In addition, as the vibration amplitude increased, the magnitude of the ODMR peak shift also increased, showing a trend consistent with previously reported NV-center stress responses. Furthermore, the ODMR shift exhibited periodic modulation corresponding to the cantilever’s vibration phase. These results indicate that NV centers in micromachined SCD cantilevers can be used to detect vibration-induced dynamic bending stress.

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