微機電系統（MEMS）傳感器技術已廣泛應用于汽車、醫療等領域，但在航空發動機等極端高溫環境（ > 500℃ ）中，傳統硅基傳感器因材料限制無法使用。碳化硅（ SiC ）因其高溫穩定性、高集成性成為理想替代材料，但其關鍵材料參數（如襯底熱膨脹系數、薄膜電阻溫度特性）缺乏系統研究，導致傳感器設計階段難以評估溫度效應。本研究結合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傳感器設計提供數據支撐。

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（與壓阻系數溫度相關性）和偏置漂移（與熱應力、電阻溫度特性相關）。其中，熱應力σ?(T)與材料熱膨脹系數（CTE）、楊氏模量及泊松比相關，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構

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結隔離層；第三層為緩沖層（外延生長必需）；底層為基板，用于構建三維敏感結構或封裝。在高溫環境中，4H-SiC基板的力學特性對其性能至關重要：

• 楊氏模量與泊松比：隨溫度呈線性變化；
• 熱膨脹系數（CTE）：在-150°C至500°C范圍內呈非線性變化，忽略非線性將導致顯著誤差；
• 熱擴散系數：室溫至500°C范圍內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（對應摻雜濃度>1×101? cm?3）。

電阻率溫度轉折機制

不同尺寸薄膜電阻的阻值隨溫度變化測試結果：(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

測試發現電阻率隨溫度呈先降后升趨勢，轉折溫度（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

碳化硅晶體內部雜質運動的假設分析模型

• 低溫段：雜質電離主導，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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電阻內部電壓分布與電流的仿真結果

通過COMSOL多物理場仿真分析熱應力對電阻的影響：仿真結果：襯底熱應力使電阻顯著降低，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值仿真結果

電阻測試結果與仿真結果對比

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，建立了溫度函數模型，用于解析高溫條件下傳感器的溫度效應。所有測試數據集成于包含4H-SiC基板和薄膜電阻的物理芯片中，器件仿真結果與測試結果高度一致（最大平均誤差僅4.53%），驗證了數據的正確性與有效性。

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控設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%

本研究實驗關鍵電阻參數通過Xfilm埃利在線四探針方阻儀驗證，未來可進一步將溫度參數整合到全SiC傳感器系統設計中，建立更完善的高溫誤差分析模型，推動 MEMS 技術在高溫領域的深度應用。

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

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