Étude sur la piézorésistivité des films minces de V₂O₃ dopés au Cr pour les applications de capteurs MEMS

Contexte académique

Les capteurs microélectromécaniques (MEMS) piézorésistifs sont des dispositifs qui exploitent l’effet piézorésistif d’un matériau pour convertir un changement de contrainte, induit par la propriété physique observée, en un changement de résistance. Ces capteurs, tels que les capteurs de pression, les accéléromètres et les capteurs de déformation, sont largement utilisés dans les domaines de l’automobile, de l’aérospatiale, de la biomédecine et de la recherche. Actuellement, la majorité des capteurs piézorésistifs utilisent du silicium dopé comme matériau piézorésistif, bien que son intégration soit facile et son coût faible, son effet piézorésistif est limité, avec un facteur de jauge longitudinal (Gauge Factor, GF) généralement inférieur à 120. Pour améliorer les performances des capteurs, les chercheurs explorent continuellement de nouveaux matériaux piézorésistifs. Les matériaux à base d’oxyde de vanadium, en raison de leurs propriétés piézorésistives uniques, ont attiré une attention particulière, en particulier les films minces de V₂O₃ dopés au Cr, qui présentent un changement de résistance significatif à température ambiante sous l’effet de la contrainte, montrant un potentiel en tant que matériau piézorésistif.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Michiel Gidts, Wei-Fan Hsu, Maria Recaman Payo, Shaswat Kushwaha, Frederik Ceyssens, Dominiek Reynaerts, Jean-Pierre Locquet, Michael Kraft et Chen Wang, issus du laboratoire de micro et nanosystèmes et du centre de revêtement d’oxydes fonctionnels de l’Université de Louvain (KU Leuven), en Belgique. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering.

Processus de recherche

1. Croissance des films et caractérisation structurelle

Les films minces de V₂O₃ dopés au Cr ont été cultivés sur un substrat de saphir par épitaxie par jet moléculaire (MBE). La structure cristalline des films a été caractérisée par diffraction des rayons X à haute résolution (XRD) et diffraction d’électrons rétrodiffusés à haute énergie (RHEED), assurant une croissance épitaxiale de qualité.

2. Fabrication des dispositifs piézorésistifs

Après la croissance des films, des dispositifs piézorésistifs de 500 μm de long et 25 μm de large ont été fabriqués par gravure ionique réactive (RIE). Les contacts métalliques ont été formés par dépôt de chrome et d’or par pulvérisation magnétron, et le substrat de saphir a été découpé en échantillons rectangulaires de 38 mm de long et 5,3 mm de large.

3. Tests électriques et mécaniques

Le changement de résistance des dispositifs piézorésistifs de V₂O₃ dopés au Cr avec différentes orientations a été mesuré à l’aide d’un dispositif de test de flexion à quatre points. La distribution des contraintes dans l’échantillon a été simulée à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics pour valider la précision du dispositif expérimental.

4. Conception et caractérisation du capteur de pression

Un capteur de pression micromécanique basé sur des dispositifs piézorésistifs de V₂O₃ dopés au Cr a été conçu et fabriqué. La tension de sortie du capteur a été mesurée à différentes pressions et températures pour évaluer sa sensibilité, son décalage et leurs coefficients de température.

Résultats principaux

1. Effet piézorésistif

Les dispositifs piézorésistifs en film mince de V₂O₃ dopés au Cr présentent un effet piézorésistif significatif à température ambiante, avec un facteur de jauge longitudinal (GFₗ) de 222 et un facteur de jauge transversal (GFₜ) de 217. Tous les dispositifs piézorésistifs, quelle que soit leur orientation, présentent un changement de résistance similaire sous contrainte, indiquant une isotropie des coefficients piézorésistifs.

2. Performances du capteur de pression

Le capteur de pression basé sur des films minces de V₂O₃ dopés au Cr présente une sensibilité de 21,81 mV/V/bar, un décalage de -25,73 mV/V, un coefficient de température de sensibilité de -0,076 mV/V/bar/°C et un coefficient de température de décalage de 0,182 mV/V/°C à 20°C. La sortie linéaire et le faible effet d’hystérésis du capteur montrent qu’il est adapté à des applications pratiques.

Conclusion

Cette étude montre que les films minces de V₂O₃ dopés au Cr présentent un effet piézorésistif significatif grâce à la transition de phase Mott métal-isolant induite par la contrainte, et que leurs coefficients piézorésistifs sont isotropes. Cette propriété ouvre de nouvelles perspectives pour les applications des MEMS, en particulier dans le domaine des capteurs de pression. Cette recherche fournit de nouvelles idées pour l’application de nouveaux matériaux piézorésistifs basés sur la transition de phase Mott dans les capteurs MEMS.

Points forts de la recherche

1. Facteur de jauge élevé : Les facteurs de jauge longitudinal et transversal des films minces de V₂O₃ dopés au Cr dépassent 200, bien supérieurs à ceux des matériaux en silicium dopé traditionnels.
2. Effet piézorésistif isotrope : Les coefficients piézorésistifs sont indépendants de l’orientation du dispositif, simplifiant la disposition des dispositifs dans la conception des capteurs.
3. Application de la transition de phase Mott : La transition de phase Mott métal-isolant induite par la contrainte permet un changement de résistance significatif, ouvrant de nouvelles voies pour la recherche sur les matériaux piézorésistifs.
4. Validation pratique : Un capteur de pression micromécanique basé sur des films minces de V₂O₃ dopés au Cr a été conçu et fabriqué avec succès, démontrant sa faisabilité dans des applications pratiques.

Signification de la recherche

Cette recherche fournit non seulement un matériau piézorésistif haute performance pour les capteurs MEMS, mais ouvre également de nouvelles voies pour l’étude des matériaux piézorésistifs basés sur la transition de phase Mott. Les propriétés piézorésistives uniques des films minces de V₂O₃ dopés au Cr devraient favoriser le développement de la technologie des capteurs dans des domaines tels que la santé, l’automobile et l’aérospatiale.