4H-SiC薄膜电阻在高温MEMS芯片中的应用 | 电阻率温度转折机制分析

微机电系统（MEMS）传感器技术已广泛应用于汽车、医疗等领域，但在航空发动机等极端高温环境（ > 500℃ ）中，传统硅基传感器因材料限制无法使用。碳化硅（ SiC ）因其高温稳定性、高集成性成为理想替代材料，但其关键材料参数（如衬底热膨胀系数、薄膜电阻温度特性）缺乏系统研究，导致传感器设计阶段难以评估温度效应。本研究结合Xfilm埃利在线四探针方阻仪针对4H-SiC衬底与薄膜电阻器的薄膜电阻电阻率进行测量，通过实验建立温度特性模型，为高温MEMS传感器设计提供数据支撑。

温度误差理论分析

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典型压阻式传感器简化模型

 

典型MEMS压阻传感器由机械应力传递模块和惠斯通电桥组成。温度影响下，传感器输出误差可分解为灵敏度变化（与压阻系数温度相关性）和偏置漂移（与热应力、电阻温度特性相关）。其中，热应力σₘ(T)与材料热膨胀系数（CTE）、杨氏模量及泊松比相关，而偏置漂移β(T)受薄膜电阻率温度特性影响。忽略压阻系数各向异性后，本研究聚焦衬底机械特性与电阻温度特性的耦合作用。

4H-SiC 衬底的热机械特性

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压阻式MEMS碳化硅传感器晶圆结构

 

顶层为高掺杂n型SiC，刻蚀形成薄膜电阻；第二层为低掺杂p型SiC，与顶层形成p-n结隔离层；第三层为缓冲层（外延生长必需）；底层为基板，用于构建三维敏感结构或封装。在高温环境中，4H-SiC基板的力学特性对其性能至关重要：

• 杨氏模量与泊松比：随温度呈线性变化；
• 热膨胀系数（CTE）：在-150°C至500°C范围内呈非线性变化，忽略非线性将导致显著误差；
• 热扩散系数：室温至500°C范围内随温度升高逐渐降低，且温度越高，降低速率越慢。

薄膜电阻电阻率机制

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• 制备与测试

显微镜下薄膜电阻照片：(a) 不同长度的薄膜电阻；(b) 不同宽度的薄膜电阻

室温下薄膜电阻阻值测试结果

 

采用Ni/Ti/Au金属体系形成高温欧姆接触（接触电阻率≈10⁻⁵ Ω·cm²）。电阻尺寸实验验证阻值符合当电阻厚度固定时，阻值与长度成正比，与宽度成反比。室温电阻率范围：75–200 Ω·μm（对应掺杂浓度>1×10¹⁹ cm⁻³）。

电阻率温度转折机制

不同尺寸薄膜电阻的阻值随温度变化测试结果：(a) 不同长度；(b) 不同宽度

相同尺寸不同掺杂浓度薄膜电阻在不同温度下的阻值测试

 

测试发现电阻率随温度呈先降后升趋势，转折温度（Ttrans）由掺杂浓度决定：

• 高电阻率（159.7 Ω·μm）：Ttrans ≈ 150°C
• 低电阻率（75.3 Ω·μm）：Ttrans ≈ 400°C

• 物理机制

碳化硅晶体内部杂质运动的假设分析模型

• 低温段：杂质电离主导，载流子浓度↑ → 电阻率↓
• 高温段：晶格散射主导，电子迁移率↓ → 电阻率↑
   

高掺杂样品因杂质电离饱和延迟，Ttrans更高。

芯片级验证与误差分析

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电阻内部电压分布与电流的仿真结果

 

通过COMSOL多物理场仿真分析热应力对电阻的影响：仿真结果：衬底热应力使电阻显著降低，高温下降幅达20%；自由膨胀悬臂梁上电阻仅受电阻率变化影响。

电阻随温度变化的数值仿真结果

电阻测试结果与仿真结果对比

 

实验验证：封装芯片在室温至500℃测试中，仿真与实测趋势一致性良好，最大误差4.53%，误差主要源于封装胶热膨胀系数差异。本研究基于典型MEMS压阻式传感器的温度误差模型，分析了4H-SiC基板的机械特性和薄膜电阻电阻率，建立了温度函数模型，用于解析高温条件下传感器的温度效应。所有测试数据集成于包含4H-SiC基板和薄膜电阻的物理芯片中，器件仿真结果与测试结果高度一致（最大平均误差仅4.53%），验证了数据的正确性与有效性。

Xfilm埃利在线四探针方阻仪

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film埃利在线方阻测试仪是专为光伏工艺监控设计的在线四探针方阻仪，可以对最大230mm×230mm的样品进行快速、自动的扫描，获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

• 最大样品满足230mm×230mm
• 测量范围：1mΩ~100MΩ
• 测量点数支持5点、9点测量，同时测试5点满足≤5秒，同时测试9点满足≤10秒
• 测量精度：保证同种型号测量的精准度不同测试仪器间测试误差在±1%

本研究实验关键电阻参数通过Xfilm埃利在线四探针方阻仪验证，未来可进一步将温度参数整合到全SiC传感器系统设计中，建立更完善的高温误差分析模型，推动 MEMS 技术在高温领域的深度应用。

原文参考：《Temperature Characteristics of 4H-SiC Substrate and Thin-Film Resistor Applied in MEMS Piezoresistive Sensors》

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