电子科技大学教授采用氮化硅薄膜制备PdSe2多晶超薄膜，开展压差传感器实验

近日电子科技大学李春教授和兰长勇副教授共同研究了基于无转移压阻PdSe₂多晶薄膜的压差传感器。本研究基于薄膜挠曲作用下的电阻变化和有限元应变分析，制备了一种基于无传递压阻PdSe₂多晶膜的差压传感器。这种无转移和低温生长的PdSe₂压阻薄膜在MEMS传感器器件中具有广阔的应用前景。该研究以“Differential pressure sensors based on transfer-free piezoresistive layered PdSe₂ thin films”为题，发表在《Nanotechnology》上。

两位教授在研究中采用了原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产的氮化硅薄膜作为载体，在平整洁净的氮化硅薄膜上采用磁控溅射的方式，在上面进行Pd图案化镀膜，发现采用PES预沉积法制备的PdSe₂薄膜的应变系数优于多晶硅薄膜。经研究后发现PdSe₂薄膜优异的压阻性能、压敏性以及CMOS工艺合成方法为MEMS传感器的集成提供了许多潜力。

原文如下：

本研究中，作者通过在SiN_x膜上直接溅射Pd并在低至200°C的温度下等离子体增强硒化Pd金属膜得到免转移压阻PdSe₂多晶膜。基于薄膜挠曲作用下的电阻变化和有限元应变分析，发现7.9 nm厚的PdSe₂薄膜的应变系数(GF)为− 43.3，优于多晶硅薄膜（GF 8~20）。大GF使膜片压力传感器在0 - 60 kPa的压差范围内具有3.9 × 10⁻⁴ kPa⁻¹的较高灵敏度。此外，采用惠斯通电桥电路的传感器实现了1.04 mV·kPa⁻¹的高电压灵敏度，小于97 ms的快速响应时间。

PdSe₂薄膜的表征。(a) AFM获得的PdSe₂薄膜的表面形貌，相应的高度分布图显示制备的PdSe₂厚度为7.9 nm。(b)制备的PdSe₂薄膜的拉曼光谱。(c)、(d) Pd 3d和Se 3d的XPS峰。(e) PdSe₂多晶膜的HRTEM图像。(f)和(g)分别对应于(e)中红色和蓝色区域的FFT。

采用惠斯通电桥电路的PdSe₂差压传感器的性能。(a)惠斯顿电桥电路中连接的PdSe₂差压传感器装置的照片。(b)加载(增压)和卸载(减压)过程中传感器在0 - 60 kPa范围内的输出电压。(c)当压差出现台阶变化(25 - 40 kPa)时，设备的输出电压。(d)压差发生微小扰动变化时的输出电压曲线。(e) PdSe₂电阻相对电阻随温度升高的变化(蓝色曲线)和惠斯通电桥下器件输出电压与温度升高的关系(红色曲线)。(f)不同温度下压差传感器的压差与输出电压的关系曲线。

本研究制作了一个基于PdSe₂多晶薄膜的高灵敏度差压传感器，并证明了二维半导体薄膜用于MEMS差压传感器的可行性。该传感器在小的压差振荡下也具有优良的压差跟踪性能。无转移和低温PES保证了器件制备的效率和成功率。可用于气压监测、通风系统压力控制、血压监测等压力低于100 kPa的场合。作者认为，PdSe₂薄膜优异的压阻性能、压敏性以及CMOS工艺合成方法为MEMS传感器的集成提供了许多潜力。

该研究得到了得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金以及四川省科技计划项目的支持。

该研究采用了原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产的氮化硅薄膜作为载体，在平整洁净的氮化硅薄膜上采用磁控溅射的方式，在上面进行Pd图案化镀膜，发现采用PES预沉积法制备的PdSe₂薄膜的应变系数优于多晶硅薄膜。经研究后发现PdSe₂薄膜优异的压阻性能、压敏性以及CMOS工艺合成方法为MEMS传感器的集成提供了许多潜力。