ZrCoRE吸气薄膜的基底沉积调控：应力降低与吸附性能协同优化机制研究

本研究针对MEMS器件中吸气薄膜(ZrCoRE)的剥离问题，创新性地引入Ti种子层构建双层膜结构(ZrCoRE/Ti/SiO2/Si)，通过磁控溅射技术实现柱状结构调控。实验表明该结构使H2初始吸附速率提升48.6%（701.9 vs 472.32 ml/s×cm2），残余应力显著降低，为MEMS真空传感器性能优化提供新方案。

　　

在微机电系统(MEMS)器件领域，真空封装质量直接决定器件性能与寿命。然而现有ZrCoRE吸气薄膜面临两大技术瓶颈：高残余应力导致的薄膜剥离问题，以及有限的气体吸附能力。更棘手的是，传统研究往往顾此失彼——提升吸附性能常以增加薄膜应力为代价，这种"跷跷板效应"严重制约着MEMS器件的可靠性。当薄膜应力积累到临界值时，可能引发器件短路、运动部件卡滞甚至共振频率漂移等连锁故障。

中国新金属材料技术研究院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创造性地提出"Ti种子层"解决方案。通过构建ZrCoRE/Ti双层膜结构，不仅将H₂吸附量从89 Pa×ml/cm²提升至104 Pa×ml/cm²，更首次实现吸附性能与薄膜应力的协同优化。这项突破使得MEMS电容式真空传感器的长期稳定性获得显著改善，为高可靠性MEMS封装提供新范式。

研究采用磁控溅射技术制备单层ZrCoRE和双层ZrCoRE/Ti薄膜，通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构，原子力显微镜(AFM)表征表面形貌，恒容法测试吸附动力学，并运用表面分析技术测量残余应力。所有样品均在标准化的SiO₂/Si基底上制备，确保实验可比性。

【结构表征】部分揭示：双层膜呈现更连续的柱状结构，这种特殊形貌源于Ti层的晶格匹配作用（α-Zr(110)面衍射峰半高宽减小）。AFM数据显示Ti种子层使表面粗糙度降低23%，有效抑制原子阴影效应带来的结构缺陷。

【吸附性能】测试表明：柱状结构产生更多吸附位点，使H₂吸附速率提升至701.9 ml/s×cm²。特别值得注意的是，Ti层本身具有储氢功能，与ZrCoRE产生协同吸附效应，这种"1+1>2"的效果在混合气体环境中尤为显著。

【应力分析】发现：Ti层作为应力缓冲层，通过匹配热膨胀系数将薄膜残余应力降低38%。在200次热循环测试中，双层膜结构展现出优异的抗疲劳特性，这解释了其在MEMS传感器中更好的长期稳定性表现。

该研究首次系统阐释了Ti种子层"三位一体"的作用机制：作为结构模板优化薄膜结晶性，作为活性组分增强吸附能力，同时作为应力缓冲层提升机械稳定性。这种创新设计打破了吸气薄膜"高性能必高应力"的传统认知，为下一代MEMS封装材料开发提供新思路。实际应用数据显示，采用ZrCoRE/Ti薄膜的传感器寿命延长3.2倍，这项技术已在加速器、复合泵等高端装备领域展现应用前景。