SiC 压阻效应、晶向与电桥读出
SiC Piezoresistive Effect, Crystal Orientation and Bridge Readout（4H-SiC / Piezoresistance / Wheatstone Bridge）也称 SiC压阻效应、压阻系数、晶向压阻、惠斯通电桥、SiC压力传感电桥
SiC压阻器把应力引起的电阻率与几何变化转为电桥差分输出，大小和符号必须绑定多型、晶向、掺杂、温度与拓扑。
速览
约 1 分钟受力后的电阻变化既有长度、截面的几何项，也有载流子输运改变引起的压阻项。四个压阻条放在膜片拉、压应力区并接成全桥，可叠加差分信号并抑制部分共模温漂；电阻不匹配、接触、引线和自热仍会导致误差。
系统理解
约 2 分钟电阻R=ρL/A，小变形下ΔR/R由电阻率、长度和截面积变化共同构成。只有在材料压阻项显著大于几何项时，才可用ΔR/R≈πσ的一阶简化。
晶体中应力和电阻率变化是张量关系，器件与晶体坐标之间需做方向变换。因此某一晶面、晶向和掺杂下的系数不能写成所有SiC的常数；多型、浓度、温度、电流方向要与系数一起报告。
平衡全桥将四臂的相对变化组合为差分输出。温度补偿只在四臂温度系数与热历史足够相近时成立；激励过高还会引入自热、温度梯度和接触非线性。
承接晶体结构、掺杂与电阻率，向后连接SiC压力膜片、高温封装与校准。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 多型、晶向与电流方向 | — / ° | 限定压阻张量变换 |
| 掺杂、电阻率与温度 | cm⁻³ / Ω·cm / °C | 决定输运和自热 |
| 压阻系数 | Pa⁻¹ | 描述条件化应力电响应 |
| 桥臂阻值、匹配与零点 | Ω / % / mV | 控制初始不平衡 |
| 激励、输出与功耗 | V / mV / mW | 平衡信号、噪声和自热 |
常见误区
- 把ΔR/R完全等同电阻率变化
- 把某晶向系数当作所有SiC常数
- 认为全桥天然完全消除温漂
- 忽略电桥自热和接触电阻
- 不说接线就判定输出符号
工程深入
12 条结论 · 1 道例题电阻变化本质
晶向与张量
电桥读出
激励与噪声
计量边界
可追溯表述
全桥算例
四臂交替正负百分之零点二时五伏全桥理想输出十毫伏
教学例仅展示对称全桥小信号叠加，不代表任何具体SiC传感器灵敏度。12
Vo/Vex≈(δ1−δ2+δ3−δ4)/4=0.002；Vo≈10 mV
- δi
- 第i桥臂的相对阻值变化，单位 1
- Vex
- 桥路激励电压，单位 V
- Vo
- 差分输出，单位 V
成立条件 Vex=5 V；四臂交替ΔR/R=±0.002；忽略二阶项与失配
例题：动手算一次教学假设，可复算
四个桥臂按+0.2%、−0.2%、+0.2%、−0.2%变化，5 V激励下理想输出多少？
已知
- Vex=5 V
- δ1=δ3=0.002
- δ2=δ4=−0.002
步骤
- (δ1−δ2+δ3−δ4)/4=0.002，用平衡全桥小信号近似合成四臂。
- Vo=5×0.002=0.010 V，乘以激励得到输出。
反向应力桥臂在正确接线下可对差分信号同向贡献。
不能外推到 未含零点失配、温漂、几何非线性、引线/接触、自热、前端载荷和噪声。
出处
4 份资料 · 4 处引用- 1
微纳制造与半导体器件
- 第 11 章 §11.1，第 210–213 页 支持：压阻读出同时包含材料项和几何项；应力通过能带和输运参数改变电阻率；压阻系数要从晶体坐标变换到器件坐标；某晶向的系数不是所有SiC的材料常数；全桥将四个桥臂的相对变化合成差分输出；增大激励同时增大信号和自热；输入阻抗与功耗是传感器设计的联合参数；电桥输出不能在未校准时直接当作压力；四臂交替正负百分之零点二时五伏全桥理想输出十毫伏
- 2
Fabrication and characterization of a SiC/SiO2/Si piezoresistive pressure sensor
- Procedia Engineering 5，pp.609–612，fabrication and characterization 支持：压阻读出同时包含材料项和几何项；全桥将四个桥臂的相对变化合成差分输出；对称电桥只抑制匹配的共模温度变化；输入阻抗与功耗是传感器设计的联合参数；精度、线性和动态响应不是压阻原理自动带来的属性；四臂交替正负百分之零点二时五伏全桥理想输出十毫伏
- 3
Optimal design of SiC piezoresistive pressure sensor considering material anisotropy
- Review of Scientific Instruments 91, 015004，abstract and optimal-design sections 支持：应力通过能带和输运参数改变电阻率；压阻系数要从晶体坐标变换到器件坐标；某晶向的系数不是所有SiC的材料常数；零点温漂同时来自电阻温度系数与热力形变
- 4
Research on Temperature Zero Drift of SiC Piezoresistive Pressure Sensor Based on Asymmetric Wheatstone Bridge
- Silicon 14，pp.5445–5451，temperature model and asymmetric-bridge sections 支持：对称电桥只抑制匹配的共模温度变化；增大激励同时增大信号和自热；电桥输出不能在未校准时直接当作压力；零点温漂同时来自电阻温度系数与热力形变；精度、线性和动态响应不是压阻原理自动带来的属性