上海交大开发基于相变材料的高灵敏度MEMS压阻式压力传感器
2026-08-08 14:00:02 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究团队首次在实验中证实了O-ZrN薄膜中的压阻效应，并利用其在金属-绝缘体相变附近电阻率随应力变化的特性，实现了高灵敏度压力传感，证实了基于相变材料开发下一代高性能MEMS传感器的可行性。

在微机电系统（MEMS）应用中，硅基压力传感器凭借成熟的工艺与优异的微电子集成能力而占据主导地位，但硅材料固有的压阻灵敏度较低，难以满足高精度测量场景的性能需求。金刚石、石墨烯和碳纳米管等新兴功能材料虽然具备远高于硅的应变系数，但其合成工艺复杂且与传统MEMS微加工工艺兼容性不足，面临大规模集成的挑战。近年来，薄膜沉积技术的发展，为新型压阻材料与微型传感器的集成开辟了新的路径。

据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，上海交通大学刘景全教授团队开发出一种基于氧掺杂氮化锆（O-ZrN）薄膜的高灵敏度MEMS压阻式压力传感器。研究团队首次在实验中证实了O-ZrN薄膜中的压阻效应，并利用其在金属-绝缘体相变附近电阻率随应力变化的特性，实现了高灵敏度压力传感，证实了基于相变材料开发下一代高性能MEMS传感器的可行性。相关研究成果以“A Highly Sensitive Piezoresistive Pressure Sensor Based on Oxygen-Doped Zirconium Nitride Thin Film”为题，在IEEE MEMS 2026国际会议上发表。

这项研究提出的MEMS压力传感器基于O-ZrN薄膜实现。O-ZrN薄膜具有NaCl型立方晶体结构，其电学输运特性与氧掺杂浓度高度相关，当材料处于金属-绝缘体相变临界点附近时，其电子结构与输运特性对应力变化极为敏感，这一特性使其具备优异的压阻应用潜力。为了测定O-ZrN薄膜的压阻特性，研究团队在薄梁状硅试样上制备了两种取向的薄膜压阻条（分别与应变方向平行、垂直），并通过四点弯曲法开展测试。室温测试结果显示，O-ZrN薄膜的横向应变因子（GFₜ）为−707，纵向应变因子（GFₗ）为−302。与传统的硅掺杂相比，O-ZrN薄膜的横向压阻效应提升约6 ~ 7倍，纵向压阻效应提升约3倍，展现出显著增强的压阻特性。

（a）O-ZrN薄膜四点弯曲测试装置；（b）应力增大和减小时O-ZrN薄膜压阻条的电阻变化

图1 （a）O-ZrN薄膜四点弯曲测试装置；（b）应力增大和减小时O-ZrN薄膜压阻条的电阻变化

在器件结构设计方面，研究团队分别设计了平膜结构和十字梁结构，并通过仿真软件对两种结构的应力分布与形变特性进行了分析。结果表明，十字梁结构能够显著提高膜片的局部刚度，减小受压时的形变挠度，从而改善器件的输出线性度，但会牺牲部分灵敏度。该传感器整体构成主要包括O-ZrN薄膜压阻条、金属互连、带十字梁结构的硅膜片以及背腔。芯片整体尺寸为2 mm × 2 mm，膜片尺寸为1000 μm，厚度为20 μm。四个O-ZrN薄膜压阻条（单条长110 μm、宽10 μm）对称分布在方形膜片边缘，并连接成惠斯通电桥。该传感器制备基于SOI衬底，采用标准MEMS工艺加工完成。

O-ZrN薄膜压力传感器芯片的结构设计

图2 O-ZrN薄膜压力传感器芯片的结构设计

带十字梁结构的O-ZrN薄膜压力传感器制备流程

图3 带十字梁结构的O-ZrN薄膜压力传感器制备流程

O-ZrN薄膜压力传感器的形貌表征

图4 O-ZrN薄膜压力传感器的形貌表征

性能测试结果验证了该设计方案的有效性。温度稳定性测试表明，在-50℃ ~ 40℃的宽温度范围内，O-ZrN薄膜的电阻随温度变化幅度极小，电阻温度系数（TCR）绝对值低于300 ppm/℃，展现出优异的温度稳定性。室温（20℃）压力性能测试表明，平膜结构传感器的灵敏度为0.91 mV/V/kPa，线性度系数（R²）为0.96；十字梁结构传感器的灵敏度为0.61 mV/V/kPa，线性度提升至0.99。宽温压力测试结果表明，十字梁结构传感器的灵敏度温度系数（TCS）为-0.0031 mV/V/kPa/℃，零点温度系数（TCO）为0.33 mV/V/℃，相较传统的硅基压力传感器，展现出更高的检测灵敏度与更低的温度漂移。

不同温度下O-ZrN薄膜压阻条的电阻值与电阻温度系数的变化