面向高温极端环境的SiC单片集成MEMS加速度计及读出电路系统
2026-08-30 10:11:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出一种单片集成SiC MEMS压阻式加速度计及片上SiC场效应晶体管（SiC-FET）读出电路的设计方案，MEMS敏感结构与读出电路均在单一SiC晶圆上实现，无需异质集成。
MEMS加速度计在结构健康监测、振动分析、状态维护和惯性导航等领域发挥着重要作用。但在高温应用场景中，传统的硅基MEMS加速度计容易因本征载流子浓度和漏电流增加，以及材料在500℃以上发生不可逆塑性形变而出现性能退化。碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体，具有高热导率、高杨氏模量、优异的化学稳定性以及较为成熟的体微加工技术，为开发适应高温极端应用的单片集成MEMS加速度计提供了可行路径。
据麦姆斯咨询报道，近期，研究人员提出一种单片集成SiC MEMS压阻式加速度计及片上SiC场效应晶体管（SiC-FET）读出电路的设计方案，MEMS敏感结构与读出电路均在单一SiC晶圆上实现，无需异质集成。研究人员通过仿真验证了该系统在最高1000 K温度下工作的可行性，为下一代高温智能传感系统的开发提供了一条有前景的技术路线。相关研究成果以“4H-SiC MEMS Accelerometer with Integrated SiC-FET Readout for High Temperature Harsh Environment: Design and System-Level Simulation”为题发表在Electronic Materials期刊上。
SiC MEMS压阻式加速度计设计
这项研究设计的SiC MEMS压阻式加速度计由一个中心长方体质量块和位于四角的四根悬挂梁组成。质量块尺寸为6000 μm × 5000 μm × 80 μm，每根悬挂梁尺寸为1250 μm × 200 μm × 20 μm，均采用体SiC材料制成。尺寸为340 μm × 40 μm × 2 μm的n型掺杂SiC压阻元件布置在悬挂梁与质量块连接处的应力集中区域，用于将加速度引起的结构应力转换为电阻变化。COMSOL Multiphysics有限元仿真结果显示，该MEMS加速度计在z轴方向灵敏度较高，为35.8 Ω/g；x轴和y轴灵敏度分别为0.1 Ω/g和0.76 Ω/g，对应的交叉轴灵敏度分别为0.27%和2.12%。在±5 g加速度范围内，z轴方向的相对电阻变化约为12%，x轴和y轴均不足0.5%，表明该器件对目标z轴加速度具有较好的方向选择性，受到侧向加速度的干扰较小。
图1 （a）基于COMSOL Multiphysics设计的SiC MEMS加速度计；（b）沿z、x和y轴施加加速度时的相对电阻变化；（c）300 K ~ 1000 K温度下，±5 g加速度对应的相对电阻变化
模态特性与高温稳定性仿真
特征频率分析结果显示，该MEMS加速度计的一阶固有频率为1640 Hz，对应质量块沿z轴方向的平移运动；二阶和三阶固有频率分别为2805.4 Hz和3604.8 Hz，对应绕y轴和x轴的转动模态。按照MEMS加速度计在一阶固有频率约20%以内可保持平坦频率响应的设计准则，其可用工作带宽约为328 Hz。一阶与二阶固有频率间隔达1165.4 Hz，有助于降低环境振动意外激发转动模态的可能性，从而提高测量稳定性。
图2 SiC加速度计的模态分析：（a）z轴一阶模态；（b）y轴二阶模态；（c）x轴三阶模态
为评估器件的高温稳定性，研究人员进一步开展了300 k ~ 1000 K范围内的电-热-机械耦合仿真。沿z轴施加2 g加速度时，压阻值由300 K下的1640.58 Ω变化至1000 K下的1637.1 Ω，相对变化为0.21%；质量块平均位移由325.78 nm变化至325.81 nm，相对变化为0.009%。仿真结果表明，该结构在所研究的温度范围内能够保持较为稳定的电学和机械响应。
4H-SiC MOSFET工艺及器件仿真
在读出器件方面，研究人员采用Synopsys Sentaurus TCAD工具建立了垂直n沟道4H-SiC功率MOSFET的二维工艺与器件模型，模拟了n型漂移层、p阱、n⁺源区、p⁺体接触区、栅氧化层、多晶硅栅极及源极金属化等主要工艺结构。仿真得到的器件阈值电压为4.45 V。在栅源电压VGS＝5 V、漏极电压VD＝200 V的条件下，当温度由室温升至1000 K时，漏极电流由1.11 μA增加至3.34 μA，仿真中未观察到击穿或扭结效应，验证了SiC-FET的高温鲁棒性。
图3 （a）SiC-FET结构示意图（非实际比例）；主要工艺步骤包括：（b）掺杂后退火；（c）多晶硅栅极沉积与图形化；（d）源极接触金属化
图4 SiC-FET的输出特性曲线（ID–VD）：（a）不同栅源电压（VGS）下的输出特性；（b）300 k ~ 1000 K温度下的输出特性
传感器-读出电路系统级仿真
在系统级仿真中，研究人员将MEMS有限元仿真和SiC-FET TCAD仿真结果整合到Verilog-A模型中，并在Cadence Virtuoso平台上搭建了以SiC-FET为核心的单级共源放大器。电路中的可变压阻用于表征加速度引起的阻值变化，电源电压VDD和栅源电压VGS分别设为100 V和7 V。直流仿真结果显示，当加速度由−5 g变化至+5 g时，室温下输出电压由74.31 V变化至68.11 V，在1000 K下则由52.10 V变化至43.07 V。系统灵敏度随温度升高而增大，在−5 g、1000 K条件下达到100 mV/V，约为室温值的两倍；瞬态仿真得到的非线性约为1%。系统仿真采用328 Hz的加速度频率，相当于一阶固有频率的约20%，显著低于谐振频率，能够满足加速度计稳定运行的要求。
图5 （a）采用压阻负载的SiC-FET共源放大器；（b）直流分析得到的输出电压与加速度关系；（c）灵敏度与加速度关系；（d）加速度计的瞬态分析结果
综上所述，这项研究设计了一种单片集成SiC MEMS压阻式加速度计及片上SiC-FET读出电路，并通过有限元、TCAD和电路级仿真对其进行了系统评估。仿真结果表明，该系统在1000 K下实现了最高100 mV/V的输出灵敏度，非线性仅为1%，展现出在极端高温环境中进行精密测量的潜力。该研究展示了在单一晶圆上集成全SiC传感器与读出电路的可行性，并为面向航空航天推进、燃气轮机、汽车发动机、深井钻探以及其它极端环境应用的下一代智能传感系统提供了新的思路。需要指出的是，该研究目前仍处于设计与仿真阶段，未来还需要开展单片集成器件的实验制造与表征，并进一步优化SiC MEMS–CMOS工艺流程，以验证所提出设计方案的实际性能和可靠性。
论文信息：https://doi.org/10.3390/electronicmat7030021
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