微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，但在航空發(fā)動機等極端高溫環(huán)境（ > 500℃ ）中，傳統(tǒng)硅基傳感器因材料限制無法使用。碳化硅（ SiC ）因其高溫穩(wěn)定性、高集成性成為理想替代材料，但其關(guān)鍵材料參數(shù)（如襯底熱膨脹系數(shù)、薄膜電阻溫度特性）缺乏系統(tǒng)研究，導致傳感器設(shè)計階段難以評估溫度效應(yīng)。本研究結(jié)合Xfilm埃利在線四探針方阻儀針對4H-SiC襯底與薄膜電阻器的薄膜電阻電阻率進行測量，通過實驗建立溫度特性模型，為高溫MEMS傳感器設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

溫度誤差理論分析

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典型壓阻式傳感器簡化模型

典型MEMS壓阻傳感器由機械應(yīng)力傳遞模塊和惠斯通電橋組成。溫度影響下，傳感器輸出誤差可分解為靈敏度變化（與壓阻系數(shù)溫度相關(guān)性）和偏置漂移（與熱應(yīng)力、電阻溫度特性相關(guān)）。其中，熱應(yīng)力σ?(T)與材料熱膨脹系數(shù)（CTE）、楊氏模量及泊松比相關(guān)，而偏置漂移β(T)受薄膜電阻率溫度特性影響。忽略壓阻系數(shù)各向異性后，本研究聚焦襯底機械特性與電阻溫度特性的耦合作用。

4H-SiC 襯底的熱機械特性

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壓阻式MEMS碳化硅傳感器晶圓結(jié)構(gòu)

頂層為高摻雜n型SiC，刻蝕形成薄膜電阻；第二層為低摻雜p型SiC，與頂層形成p-n結(jié)隔離層；第三層為緩沖層（外延生長必需）；底層為基板，用于構(gòu)建三維敏感結(jié)構(gòu)或封裝。在高溫環(huán)境中，4H-SiC基板的力學特性對其性能至關(guān)重要：

• 楊氏模量與泊松比：隨溫度呈線性變化；
• 熱膨脹系數(shù)（CTE）：在-150°C至500°C范圍內(nèi)呈非線性變化，忽略非線性將導致顯著誤差；
• 熱擴散系數(shù)：室溫至500°C范圍內(nèi)隨溫度升高逐漸降低，且溫度越高，降低速率越慢。

薄膜電阻電阻率機制

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• 制備與測試

顯微鏡下薄膜電阻照片：(a) 不同長度的薄膜電阻；(b) 不同寬度的薄膜電阻

室溫下薄膜電阻阻值測試結(jié)果

采用Ni/Ti/Au金屬體系形成高溫歐姆接觸（接觸電阻率≈10?? Ω·cm2）。電阻尺寸實驗驗證阻值符合當電阻厚度固定時，阻值與長度成正比，與寬度成反比。室溫電阻率范圍：75–200 Ω·μm（對應(yīng)摻雜濃度>1×101? cm?3）。

電阻率溫度轉(zhuǎn)折機制

不同尺寸薄膜電阻的阻值隨溫度變化測試結(jié)果：(a) 不同長度；(b) 不同寬度

相同尺寸不同摻雜濃度薄膜電阻在不同溫度下的阻值測試

測試發(fā)現(xiàn)電阻率隨溫度呈先降后升趨勢，轉(zhuǎn)折溫度（Ttrans）由摻雜濃度決定：

• 高電阻率（159.7 Ω·μm）：Ttrans≈ 150°C
• 低電阻率（75.3 Ω·μm）：Ttrans≈ 400°C

• 物理機制

碳化硅晶體內(nèi)部雜質(zhì)運動的假設(shè)分析模型

• 低溫段：雜質(zhì)電離主導，載流子濃度↑ → 電阻率↓
• 高溫段：晶格散射主導，電子遷移率↓ → 電阻率↑
  

高摻雜樣品因雜質(zhì)電離飽和延遲，Ttrans更高。

芯片級驗證與誤差分析

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電阻內(nèi)部電壓分布與電流的仿真結(jié)果

通過COMSOL多物理場仿真分析熱應(yīng)力對電阻的影響：仿真結(jié)果：襯底熱應(yīng)力使電阻顯著降低，高溫下降幅達20%；自由膨脹懸臂梁上電阻僅受電阻率變化影響。

電阻隨溫度變化的數(shù)值仿真結(jié)果

電阻測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

實驗驗證：封裝芯片在室溫至500℃測試中，仿真與實測趨勢一致性良好，最大誤差4.53%，誤差主要源于封裝膠熱膨脹系數(shù)差異。本研究基于典型MEMS壓阻式傳感器的溫度誤差模型，分析了4H-SiC基板的機械特性和薄膜電阻電阻率，建立了溫度函數(shù)模型，用于解析高溫條件下傳感器的溫度效應(yīng)。所有測試數(shù)據(jù)集成于包含4H-SiC基板和薄膜電阻的物理芯片中，器件仿真結(jié)果與測試結(jié)果高度一致（最大平均誤差僅4.53%），驗證了數(shù)據(jù)的正確性與有效性。

Xfilm埃利在線四探針方阻儀

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film埃利在線方阻測試儀是專為光伏工藝監(jiān)控設(shè)計的在線四探針方阻儀，可以對最大230mm×230mm的樣品進行快速、自動的掃描，獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

• 最大樣品滿足230mm×230mm
• 測量范圍：1mΩ~100MΩ
• 測量點數(shù)支持5點、9點測量，同時測試5點滿足≤5秒，同時測試9點滿足≤10秒
• 測量精度：保證同種型號測量的精準度不同測試儀器間測試誤差在±1%

本研究實驗關(guān)鍵電阻參數(shù)通過Xfilm埃利在線四探針方阻儀驗證，未來可進一步將溫度參數(shù)整合到全SiC傳感器系統(tǒng)設(shè)計中，建立更完善的高溫誤差分析模型，推動 MEMS 技術(shù)在高溫領(lǐng)域的深度應(yīng)用。

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

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