MEMS微機械加工工藝技術(shù)設(shè)計、加工、生產(chǎn)研究

汽車在高速行駛過程中，輪胎故障是駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。根據(jù)美國汽車工程師學會的調(diào)查，在美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的專家分析，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%.怎樣保持車胎氣壓在工作條件苛刻惡劣環(huán)境中，能行駛正常并及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣，是汽車防止爆胎和能否安全行駛的關(guān)鍵。所以，行進中的胎壓檢測就顯得尤為重要。如今已有不少國家高速公路安全協(xié)會立法強制實施，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對于提高汽車安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長期運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長的工作壽命等是TPMS的重點要求，因此其方案的設(shè)計和芯片選擇也圍繞這些要求進行。

目前TPMS主要有三種實現(xiàn)方式，即直接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS.但是，間接TPMS有一定的局限性。直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央微處理器進行分析，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直包括從機任務，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機哪個輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側(cè)的兩個處于低壓狀態(tài)的輪胎。當所有4個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，系統(tǒng)也可以檢測到故障。汽車輪胎壓力傳感器IC芯片的目標產(chǎn)品為MEMS技術(shù)和集成電路技術(shù)相結(jié)合的車載輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS.

本文重點描述運用MEMS微機械加工工藝技術(shù)設(shè)計、加工、生產(chǎn)胎壓傳感器IC芯片，即通過微機械加工工藝制作出低成本各參數(shù)指標和使用性能可與國外同類產(chǎn)品競爭的胎壓傳感器IC芯片，為國內(nèi)諸多TPMS廠商配套，逐步已優(yōu)越的性價比為國際廠商提供芯片。

結(jié)構(gòu)原理

芯片設(shè)計采用了單島膜結(jié)構(gòu)，下圖為產(chǎn)品的單島膜結(jié)構(gòu)(又稱為E型硅杯結(jié)構(gòu))的剖視和底視示意圖。相當于一個周邊固支的平膜片結(jié)構(gòu)(俗稱C型結(jié)構(gòu))的膜片中心有一個厚硬心島。通過計算和實驗，芯片的抗過載和抗振動能力，同時也擴大并提高量程品種及延長使用壽命，E型硅杯原理結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

在產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計上兼顧了傳感器參數(shù)指標的通用性，便于芯片應用拓展至汽車發(fā)動機電噴系統(tǒng)的歧管壓力傳感器。避免造成其參數(shù)的非專業(yè)性配套，其溫度系數(shù)偏高、過載能力低、靈敏度參數(shù)分散等問題;芯片的襯底濃度遠大于103,使電橋電阻值高，降低功耗，延長供電電池使用壽命。

根據(jù)設(shè)計計算，得出芯片版圖設(shè)計E型硅杯結(jié)構(gòu)為2.4×2.4mm,大膜半徑R為0.8mm,中心島半徑ro為0.4mm,電阻條寬度為4mm,長度為80mm,設(shè)計為20個方電阻，電阻形狀為單條形，為減小端頭影響及誤差，電阻用淡硼摻雜形成、方電阻250歐，端頭用濃硼短路、方電阻為10歐，實用光刻版還應考慮到組橋時濃硼引出附加電阻的對準性對平衡的影響等版圖設(shè)計技巧。

數(shù)學模型與分析

半徑為R的同平膜片的中心最大撓度為：

實現(xiàn)工藝要點

工藝版圖設(shè)計

當加大并加厚芯片尺寸，可實現(xiàn)芯片量程拓展，芯片為一個固邊固支的方形平膜片，具有3~10倍的過載能力，圖3為按不同量程設(shè)計的芯片工藝版圖。

主要解決的工藝技術(shù)問題：

①高質(zhì)量的硅-硅真空鍵合工藝;

②均勻和高合格率的減薄工藝;

③高準確度高均勻的摻雜一致性及細長電阻條一致性控制以確保傳感器的低溫度漂移;

④內(nèi)應力匹配消除技術(shù)以確保傳感器的時間穩(wěn)定性;

⑤相應的抗電磁干擾設(shè)計;

⑥封裝設(shè)計與工藝中的抗高振動及離心加速度措施;

工藝流程示意圖如圖4所示.

指標測試

本項目的產(chǎn)品是依據(jù)汽車胎壓國際標準，結(jié)合國內(nèi)用戶提出的產(chǎn)品使用要求，按照電子標準化所和北京市技術(shù)監(jiān)督局審訂的相關(guān)產(chǎn)品標準，通過航天部304所型式實驗檢測后，各項性能指標均符合設(shè)計使用指標要求。

應用拓展與延伸

結(jié)合MEMS工藝特點，兼顧傳感器后封裝生產(chǎn)工藝設(shè)備的通用，在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮到滿足不同產(chǎn)品的對芯片的結(jié)構(gòu)、參數(shù)要求，按照芯片尺寸與工藝版圖的最低要求和分類原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計分為三種芯片類型，極大地減少了芯片品種，擴大了芯片的應用領(lǐng)域。

結(jié)束語

運用MEMS工藝技術(shù)生產(chǎn)汽車輪胎壓力傳感器，具有體積小、耗能低、性能穩(wěn)定，有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值。與此同時拓寬了產(chǎn)品應用范圍，提高芯片推廣價值和產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。

汽車輪胎壓力傳感器芯片開發(fā)，對于降低高速行駛的汽車因爆胎引發(fā)的突發(fā)性重大、惡性交通事故，確保高速公路安全暢通，避免人身傷害和家庭悲劇發(fā)生，以及整個國家社會的長治久安和整個國民經(jīng)濟發(fā)展均具有重要的社會現(xiàn)實意義。

圖5 產(chǎn)品實物照片