在微機電系統（MEMS）應用中，硅基壓力傳感器憑借成熟的工藝與優異的微電子集成能力而占據主導地位，但硅材料固有的壓阻靈敏度較低，難以滿足高精度測量場景的性能需求。金剛石、石墨烯和碳納米管等新興功能材料雖然具備遠高于硅的應變系數，但其合成工藝復雜且與傳統MEMS微加工工藝兼容性不足，面臨大規模集成的挑戰。近年來，薄膜沉積技術的發展，為新型壓阻材料與微型傳感器的集成開辟了新的路徑。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，上海交通大學劉景全教授團隊開發出一種基于氧摻雜氮化鋯（O-ZrN）薄膜的高靈敏度MEMS壓阻式壓力傳感器。研究團隊首次在實驗中證實了O-ZrN薄膜中的壓阻效應，并利用其在金屬-絕緣體相變附近電阻率隨應力變化的特性，實現了高靈敏度壓力傳感，證實了基于相變材料開發下一代高性能MEMS傳感器的可行性。相關研究成果以“A Highly Sensitive Piezoresistive Pressure Sensor Based on Oxygen-Doped Zirconium Nitride Thin Film”為題，在IEEE MEMS 2026國際會議上發表。
這項研究提出的MEMS壓力傳感器基于O-ZrN薄膜實現。O-ZrN薄膜具有NaCl型立方晶體結構，其電學輸運特性與氧摻雜濃度高度相關，當材料處于金屬-絕緣體相變臨界點附近時，其電子結構與輸運特性對應力變化極為敏感，這一特性使其具備優異的壓阻應用潛力。為了測定O-ZrN薄膜的壓阻特性，研究團隊在薄梁狀硅試樣上制備了兩種取向的薄膜壓阻條（分別與應變方向平行、垂直），并通過四點彎曲法開展測試。室溫測試結果顯示，O-ZrN薄膜的橫向應變因子（GF?）為?707，縱向應變因子（GF?）為?302。與傳統的硅摻雜相比，O-ZrN薄膜的橫向壓阻效應提升約6 ~ 7倍，縱向壓阻效應提升約3倍，展現出顯著增強的壓阻特性。
圖1 （a）O-ZrN薄膜四點彎曲測試裝置；（b）應力增大和減小時O-ZrN薄膜壓阻條的電阻變化
在器件結構設計方面，研究團隊分別設計了平膜結構和十字梁結構，并通過仿真軟件對兩種結構的應力分布與形變特性進行了分析。結果表明，十字梁結構能夠顯著提高膜片的局部剛度，減小受壓時的形變撓度，從而改善器件的輸出線性度，但會犧牲部分靈敏度。該傳感器整體構成主要包括O-ZrN薄膜壓阻條、金屬互連、帶十字梁結構的硅膜片以及背腔。芯片整體尺寸為2 mm × 2 mm，膜片尺寸為1000 μm，厚度為20 μm。四個O-ZrN薄膜壓阻條（單條長110 μm、寬10 μm）對稱分布在方形膜片邊緣，并連接成惠斯通電橋。該傳感器制備基于SOI襯底，采用標準MEMS工藝加工完成。
圖2 O-ZrN薄膜壓力傳感器芯片的結構設計
圖3 帶十字梁結構的O-ZrN薄膜壓力傳感器制備流程
圖4 O-ZrN薄膜壓力傳感器的形貌表征
性能測試結果驗證了該設計方案的有效性。溫度穩定性測試表明，在-50℃ ~ 40℃的寬溫度范圍內，O-ZrN薄膜的電阻隨溫度變化幅度極小，電阻溫度系數（TCR）絕對值低于300 ppm/℃，展現出優異的溫度穩定性。室溫（20℃）壓力性能測試表明，平膜結構傳感器的靈敏度為0.91 mV/V/kPa，線性度系數（R2）為0.96；十字梁結構傳感器的靈敏度為0.61 mV/V/kPa，線性度提升至0.99。寬溫壓力測試結果表明，十字梁結構傳感器的靈敏度溫度系數（TCS）為-0.0031 mV/V/kPa/℃，零點溫度系數（TCO）為0.33 mV/V/℃，相較傳統的硅基壓力傳感器，展現出更高的檢測靈敏度與更低的溫度漂移。
圖5 不同溫度下O-ZrN薄膜壓阻條的電阻值與電阻溫度系數的變化
圖6 O-ZrN薄膜壓力傳感器的性能測試及輸出特性
總體而言，這項研究首次驗證了O-ZrN薄膜的壓阻特性，并成功制備出基于O-ZrN薄膜的高靈敏度、低溫漂MEMS壓阻式壓力傳感器。這項研究揭示了十字梁結構對傳感器輸出線性度的優化作用，同時證明了利用金屬-絕緣體相變臨界點附近材料開發高靈敏度傳感器的可行性，為新型高性能器件的開發提供了新的思路。
