В современную эпоху стремительного развития науки и технологий технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) превратились в ключевую силу, стимулирующую инновации в области современных сенсорных технологий. Мембранные датчики давления на основе MEMS, являясь одним из важнейших направлений этой области, широко применяются в биомедицине, авиакосмической отрасли, автомобильной промышленности и других сферах. По мере роста требований к характеристикам сенсоров исследователи активно ищут новые материалы и технологии, направленные на создание датчиков давления с повышенной чувствительностью, более быстрым временем отклика и улучшенной стабильностью.

Основное направление настоящего исследования — разработка пьезорезистивного датчика давления на основе двумерного (2D) материала PdSe2. PdSe2, как перспективный 2D‑материал, привлекает внимание благодаря выдающимся характеристикам чувствительности к деформации и регулируемым электронным свойствам. Однако традиционные методы химического осаждения из газовой фазы (CVD) для получения 2D‑пленок обладают определёнными ограничениями: сложность процесса трансфера и образование дефектов решётки при высокотемпературной обработке, что затрудняет применение 2D‑материалов в MEMS‑датчиках давления.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа профессора Ли Чуня из Государственной ключевой лаборатории электронных тонких плёнок и интегральных устройств при Университете электронных наук и технологий успешно использовала безмасочную литографическую установку компании «ZEPTOOLS» для изготовления дифференциального датчика давления на основе тонкой плёнки PdSe2. Это устройство, благодаря своей уникальной технологии сращивания нанопьезоэлектрических позиционирующих столов, технологии экспонирования с помощью красного света, принципу «что видишь — то и получаешь», а также преимуществам алгоритма коррекции OPC, обеспечивающего оптимизацию качества изображения, оказало весомую поддержку данному эксперименту.

Результаты соответствующих исследований были опубликованы в известном журнале «Nanotechnology» под названием «Дифференциальные датчики давления на основе безпереходных пьезорезистивных слоистых тонких пленок PdSe2».

В ходе эксперимента учёные сначала с помощью технологии плазменного усиления селенирования (PES) непосредственно вырастили на мембране из SiNx поликристаллическую пленку PdSe2. Этот инновационный процесс роста при низких температурах не только исключил сложные этапы переноса, характерные для традиционного химического осаждения из газовой фазы (CVD), но и существенно улучшил чувствительность материала к деформации. С использованием данной методики исследовательская группа успешно получила пленку PdSe2 толщиной 7,9 нм и провела всестороннюю характеристику её структуры и химического состава с помощью атомно‑силового микроскопа (AFM), рамановской спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM).

Далее исследовательская группа применила схему моста Уитстона для повышения температурной стабильности датчика и экспериментально подтвердила, что данная схема эффективно подавляет температурный дрейф в диапазоне от 25 °C до 55 °C. Результаты экспериментов показали, что датчик при разностном давлении от 0 до 60 кПа демонстрирует высокую чувствительность — 3,9 × 10⁻⁴ кПа⁻¹, а время отклика составляет менее 97 мс, что свидетельствует о его потенциале в быстром реагировании на изменения давления.

Характеристики дифференциального датчика давления на основе пленки PdSe2

Кроме того, исследование продемонстрировало стабильность и надёжность данного MEMS‑датчика давления при циклических процессах нагружения и разгрузки. В ходе циклических испытаний в диапазоне давлений от 0 до 60 кПа датчик показал высокую механическую долговечность и повторяемость сопротивления, что крайне важно для обеспечения долгосрочной стабильности в реальных эксплуатационных условиях.