关于Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻效应的研究及其在MEMS传感器中的应用

学术背景

压阻式微机电系统（MEMS）传感器是一类利用材料的压阻效应将应力变化转化为电阻变化的设备，广泛应用于汽车、航空航天、生物医学和研究领域。目前，大多数压阻式传感器使用掺杂硅作为压阻材料，尽管其易于集成且成本低廉，但其压阻效应有限，纵向压阻系数（Gauge Factor, GF）通常低于120。为了提升传感器性能，研究人员一直在探索新的压阻材料。钒氧化物材料因其独特的压阻特性引起了广泛关注，尤其是Cr掺杂的V₂O₃薄膜，其在室温下通过应变控制表现出显著的电阻变化，显示出作为压阻材料的潜力。

论文来源

本论文由Michiel Gidts、Wei-Fan Hsu、Maria Recaman Payo、Shaswat Kushwaha、Frederik Ceyssens、Dominiek Reynaerts、Jean-Pierre Locquet、Michael Kraft和Chen Wang共同撰写，分别来自比利时鲁汶大学（KU Leuven）的微纳系统实验室和功能氧化物涂层中心。论文于2024年发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。

研究流程

1. 薄膜生长与结构表征

Cr掺杂的V₂O₃薄膜通过分子束外延（MBE）技术在蓝宝石基底上生长。薄膜的晶体结构通过高分辨率X射线衍射（XRD）和反射高能电子衍射（RHEED）进行表征，确保其外延生长质量。

2. 压阻器件的制备

薄膜生长后，通过反应离子刻蚀（RIE）工艺制备了500 μm长、25 μm宽的压阻器件。金属接触通过磁控溅射沉积铬和金形成，最终将蓝宝石基底切割成38 mm长、5.3 mm宽的矩形样品。

3. 电学与机械性能测试

通过四点弯曲测试装置测量不同取向的Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件的电阻变化。使用COMSOL Multiphysics软件模拟样品中的应变分布，验证实验装置的准确性。

4. 压力传感器的设计与表征

基于Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件，设计并制造了微机械压力传感器。通过在不同压力和温度下测量传感器的输出电压，评估其灵敏度、偏移量及其温度系数。

主要结果

1. 压阻效应

Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻器件在室温下表现出显著的压阻效应，纵向压阻系数（GFₗ）为222，横向压阻系数（GFₜ）为217。所有取向的压阻器件在应变下均表现出相似的电阻变化，表明其压阻系数具有各向同性。

2. 压力传感器性能

基于Cr掺杂V₂O₃薄膜的压力传感器在20°C下的灵敏度为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/°C，偏移量温度系数为0.182 mV/V/°C。传感器的线性输出和低滞后效应表明其适用于实际应用。

结论

本研究表明，Cr掺杂V₂O₃薄膜通过应变诱导的Mott金属-绝缘体相变表现出显著的压阻效应，且其压阻系数具有各向同性。这一特性使其在MEMS传感器应用中具有广阔的前景，尤其是在压力传感器领域。该研究为基于Mott相变的新型压阻材料在MEMS传感器中的应用提供了新的思路。

研究亮点

1. 高压阻系数：Cr掺杂V₂O₃薄膜的纵向和横向压阻系数均超过200，远高于传统掺杂硅材料。
2. 各向同性压阻效应：压阻系数与器件取向无关，简化了传感器设计中的器件布局。
3. Mott相变的应用：通过应变诱导的Mott金属-绝缘体相变，实现了显著的电阻变化，为新型压阻材料的研究提供了新方向。
4. 实际应用验证：成功设计并制造了基于Cr掺杂V₂O₃薄膜的微机械压力传感器，验证了其在实际应用中的可行性。

研究意义

该研究不仅为MEMS传感器提供了高性能的压阻材料，还为基于Mott相变的新型压阻材料研究开辟了新的道路。Cr掺杂V₂O₃薄膜的独特压阻特性有望在医疗、汽车、航空航天等领域推动传感器技术的进一步发展。