用于MEMS传感器的Cr掺杂V2O3薄膜压阻特性研究
2024-12-21 11:30:44 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在这项研究工作中，研究人员利用分子束外延（MBE）工艺制备了Cr掺杂浓度为4%的V2O3薄膜，并采用四点弯曲法对其施加应变。为了研究用于MEMS传感器应用的Cr掺杂V2O3薄膜的电阻率，研究人员测量了不同取向Cr掺杂V2O3薄膜压阻器件随外部应变的电阻变化。
压阻式MEMS压力传感器是指利用材料的压阻效应，将待测物理量引起的应力变化转换为电阻变化的器件。目前，大多数压阻式压力传感器采用掺杂硅作为压阻材料。然而，这种材料存在一些局限性，例如压阻系数相对有限，以及与某些金属难以形成良好的欧姆接触等。为了进一步提升压阻式MEMS压力传感器的性能、降低功耗、增强鲁棒性和稳定性，研究人员一直在积极探索新型压阻材料。
铬（Cr）掺杂三氧化二钒（V₂O₃）薄膜在室温下，由于应变作用会发生莫特金属-绝缘体相变，并在可控的外延应变下表现出显著的电阻率变化。这种新颖的压阻转换原理使Cr掺杂V₂O₃薄膜成为一种极具潜力的压阻材料。
据麦姆斯咨询报道，为了验证这种新型压阻材料在传感应用中的可行性，鲁汶大学（KU Leuven）Michael Kraft教授课题组的王晨博士和Michiel Gidts等研究人员深入研究了Cr掺杂V₂O₃薄膜的压阻特性，并开发了基于Cr掺杂V₂O₃薄膜的压阻式MEMS压力传感器，从而验证了该材料在MEMS传感器领域的应用潜力。相关研究成果以“Study on the piezoresistivity of Cr-doped V₂O₃ thin film for MEMS sensor applications”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项研究工作中，研究人员利用分子束外延（MBE）工艺制备了Cr掺杂浓度为4%的V₂O₃薄膜，并采用四点弯曲法对其施加应变。为了研究用于MEMS传感器应用的Cr掺杂V₂O₃薄膜的电阻率，研究人员测量了不同取向Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件随外部应变的电阻变化。在室温下，该器件纵向规因子（GFL）为222，横向规因子为217，得到了各向同性的压阻系数。这意味着Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件在应变作用下的电阻变化与取向无关。这种独特的性质为该材料在各种传感器中的应用提供了广阔的前景。
图1 Cr掺杂V₂O₃薄膜的表征
图2 Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件的制备流程
图3 Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件的图示
图4 Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件的电气和应力测试
为了展示这种新型压阻材料在MEMS传感器中的应用潜力，研究人员制备了一种基于Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件的蓝宝石MEMS压力传感器。在20℃时，分别测得其灵敏度为21.81 mV/V/bar，偏移量为-25.73 mV/V，灵敏度温度系数为-0.076 mV/V/bar/℃，偏移量温度系数为0.182 mV/V/℃。该结果为进一步研究这种有望应用于MEMS传感器的压阻转换原理奠定了基础。
图5 基于Cr掺杂V₂O₃薄膜的蓝宝石MEMS压力传感器
图6 基于Cr掺杂V₂O₃薄膜的蓝宝石MEMS压力传感器的性能测试结果
这项研究表明，室温下的莫特金属-绝缘体相变可以通过外部应变诱导，这种新颖的压阻转换原理有望成功应用于MEMS传感器中。研究人员表示，虽然目前Cr掺杂V₂O₃薄膜只能在蓝宝石衬底上制备，这在一定程度上限制了其在传统MEMS制造工艺中的直接集成，但成熟的蓝宝石硅压力传感器技术为Cr掺杂V₂O₃薄膜在MEMS传感器中的应用提供了可行的解决方案。此外，许多其它材料的相图也可能随应变发生有趣的金属-绝缘体相变。在这一领域进行深入研究和开发，有望进一步提高MEMS压力传感器、加速度计、质量流量传感器和谐振器等器件的性能与功能。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00807-0
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