汽車輪胎壓力傳感器芯片與應用

前言

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鍵。因此，行進中的胎壓檢測就顯得尤為重要。

汽車輪胎壓力傳感器IC芯片的目標產(chǎn)品為MEMS技術和集成電路技術相結合的車載輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS(Tire Rressure Monitoring System)。目前直接輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括4個或5個(取決于備胎是否裝備傳感器)輪胎模塊和一 個中央接收器模塊。在德國寶馬的 Z8，法國雪鐵龍的 C5，英國阿斯頓· 馬汀的超級跑車 Vanquish，林肯大陸，旁蒂克的旗艦Bonneville SE，梅賽德斯—奔馳S級轎車等新車介紹中，也將TPMS系統(tǒng)配裝于車中，另外，2002年夏天上市的克萊斯勒與道奇(Dodge)迷你箱型車以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車也裝有 TPMS系統(tǒng)。而國內(nèi)多數(shù)汽車廠家目前正在進行實驗性研究。

本文是基于國家創(chuàng)新基金項目實施工作要求，重點描述運用MEMS微機械加工工藝技術設計、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。

圖1 E型芯片剖視與底視圖

圖2 芯片電橋工藝版圖

5 to 100 kPa 100 to 1000 kPa 3000 to 5000 kPa

圖3按不同量程設計的芯片工藝版圖

圖4 工藝流程示意圖

結構原理

芯片設計采用了單島膜結構，下圖為產(chǎn)品的單島膜結構(又稱為E型硅杯結構)的剖視和底視示意圖。相當于一個周邊固支的平膜片結構(俗稱C型結構)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型硅杯原理結構如圖1、2所示。

在產(chǎn)品技術設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(芯片電橋工藝版圖見圖2)。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)設計計算，得出芯片版圖設計E型硅杯結構為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：

而中心島半徑ro與全膜半徑R的比值為C的單島膜中心最大撓度為：

當C值為0.5時(常用設計)、單島膜結構中心最大位移僅為平膜的四分之一。

當E型膜片的大膜內(nèi)切半徑為R，硬心島外切半徑為ro時，其薄膜上表面的徑向和切向應力為：

在處和r=R處，和取得最大值，其值大小相等，符號相反，即：

，是平膜邊緣應力的倍。

從式中看出，應力和均近似對稱，當C=0.5時，這種對稱性更好，的對稱點，即=0點在r≈0.76R處，但=0的點卻在r≈0.85R處，因此采用這種方案時電阻徑向分布尺寸不宜超過1/10R。

實現(xiàn)工藝要點

工藝版圖設計
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為按不同量程設計的芯片工藝版圖。
主要解決的工藝技術問題：
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)應力匹配消除技術以確保傳感器的時間穩(wěn)定性；
⑤相應的抗電磁干擾設計；
⑥封裝設計與工藝中的抗高振動及離心加速度措施；
工藝流程示意圖見圖4。

指標測試
本項目產(chǎn)品是依據(jù)汽車胎壓國際標準，結合國內(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監(jiān)督局審訂的相關產(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計使用指標要求。

應用拓展與延伸
結合MEMS工藝特點，兼顧傳感器后封裝生產(chǎn)工藝設備的通用，在芯片結構設計上，考慮到滿足不同產(chǎn)品的對芯片的結構、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，結構設計分為三種芯片類型，大大減少了芯片品種，擴大了芯片的應用領域。

結語

運用MEMS工藝技術生產(chǎn)汽車輪胎壓力傳感器，具有體積小、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定，而且有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值。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