MEMS材料中TCR是什么

2024-10-14 传感知识丨美思编辑部

什么是TCR？

电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）用来表示薄膜电阻的阻值随温度变化而变化的程度大小，薄膜电阻在温度变化中阻值越稳定，TCR 的绝对值越小。TCR 的计算公式如下：

单位为 /℃，T₀为温度变化前薄膜初始温度，T为温度变化后薄膜最终温度，R_T0为温度变化前薄膜初始电阻值，R_T为温度变化后薄膜最终电阻值。

在实际测量过程中，薄膜表面的空气对流也会影响测量时温度的准确性。因此本研究中使用油浴加热法作为温度调节方法，在油浴加热中甲基硅油隔绝样片与空气，防止样片与空气进一步反应。在油浴中基片的温度更加稳定，且由于甲基硅油的绝缘性强，适合使用探针进行电学测量。

图硅基电阻薄膜示意图

NTC和TCR的区别

NTC是指负温度系数 (Negative Temperature Coefficient)，为TCR中一种电阻值随着温度降低的材料性质，另一种为PTC (Positive Temperature Coefficient) 。NTC热敏电阻是目前应用比较广泛的热敏电阻，常应用于温度测量、温度补偿及抑制浪涌电流等方面。目前市场上大多数NTC热敏电阻是由过渡金属锰、钴、镍、铜和铁等氧化物制备的。

在MEMS材料中的TCR

比较常见的有金属薄膜、合金薄膜如CuNi和NiCr膜、钽氮化物（TaNx）薄膜和多晶硅薄膜。不同材料的TCR系数各不相同，这是由于材料的晶格结构和电子结构的差异所致。

常见金属薄膜中，铜的TCR系数较小，约为0.00393/℃，因此铜是常用的导线材料；铁的TCR系数较大，约为0.00649/℃，铁材料在温度变化时电阻变化较为显著；铂的TCR系数非常稳定，约为0.00375/℃，因此铂常被用作温度传感器的材料。

一些常见金属的TCR值(以10^^-3/°C为单位)的大致汇总，这些数据通常在室温(约20°C至25°C)附近测得：

1.铜(Cu): 3.93

2.银(Ag): 3.85

3.金(Au):3.43

4.镍(Ni):6.24

5.铁(Fe): 6.49

6.铝(Al):3.90

7.铂(Pt): 3.75

8.锡(Sn):4.75

9.铅(Pb) :3.90

10.锌(Zn):4.20

铂（Pt）金属具有耐腐蚀、结构稳定、TCR高、线性度好等优点，是理想的薄膜电阻温度传感器温度敏感材料。块体Pt材料理论电阻温度系数值为3.928×10^-3 /℃ ，TCR值越高传感器灵敏度越高，目前报道的温度传感器Pt薄膜材料TCR＜3.500×10^-3 /℃，灵敏度有待进一步提升。

TaN 薄膜由于其化学稳定性高、温度电阻系数小、阻值可调范围大（从导体到绝缘体可调）而受到人们的重视。薄膜化的氮化钽具有很小的电阻温度系数（-100 ppm/℃～100 ppm/℃范围），当控制薄膜中氮含量，使其膜结构主要包含Ta₂N相时，便能确保薄膜的高稳定性，且TCR不超过-50ppm/℃，甚至趋于0。

另外，有研究通过对 TaN 的掺Cu处理，发现 Cu 掺杂能够有效提高薄膜 TCR，在Cu 含量达到 75%时薄膜 TCR 值接近于 0。

多晶硅电阻温度系数（TCR）小于10^-4/℃，几乎比普通金属薄膜小一个数量级。重掺杂情况下，多晶硅纳米薄膜的TCR非常小，只有万分之几。而且随着掺杂浓度的提高，TCR从负值变为正值，零温度系数出现在 3×10²⁰ cm^-3左右的掺杂浓度区域。

表不同掺杂浓度对应多晶硅的TCR

在MEMS器件应用中，TCR大小都有相关应用。当TCR大时，作为温度传感器应用可以得到更高的灵敏度，如采用Pt作为热敏电阻材料，也有采用Ni作为热敏电阻材料，虽然Ni比TCR比Pt更高，但Ni在空气中更容易氧化。当TCR小，甚至接近0时，可作为低温漂电阻器使用，配合激光修调技术，可实现稳定电阻的输出。在MEMS热式流量计中，很有趣的是，中心作为热源，需要低TCR的电阻作为加热器，可选择多晶硅或者TaN薄膜，而上下游作为测温的温度传感器，需要高TCR的材料，如Pt或Ni。