汽車(chē)輪胎壓力傳感器芯片設計與應用

前言

　　汽車(chē)在高速行駛過(guò)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。根據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )的調查，在美國每年有26萬(wàn)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。據國家橡膠輪胎質(zhì)量監督中心的專(zhuān)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(chē)胎氣壓在工作條件苛刻惡劣環(huán)境中，能行駛正常并及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣，是汽車(chē)防止爆胎和能否安全行駛的關(guān)鍵。因此，行進(jìn)中的胎壓檢測就顯得尤為重要。

　　汽車(chē)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)相結合的車(chē)載輪胎壓力監視系統TPMS(Tire Rressure Monitoring System)。目前直接輪胎壓力監測系統包括4個(gè)或5個(gè)(取決于備胎是否裝備傳感器)輪胎模塊和一 個(gè)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(chē) Vanquish，林肯大陸，旁蒂克的旗艦Bonneville SE，梅賽德斯—奔馳S級轎車(chē)等新車(chē)介紹中，也將TPMS系統配裝于車(chē)中，另外，2002年夏天上市的克萊斯勒與道奇(Dodge)迷你箱型車(chē)以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車(chē)也裝有 TPMS系統。而國內多數汽車(chē)廠(chǎng)家目前正在進(jìn)行實(shí)驗性研究。

　　本文是基于國家創(chuàng )新基金項目實(shí)施工作要求，重點(diǎn)描述運用MEMS微機械加工工藝技術(shù)設計、加工、生產(chǎn)胎壓傳感器IC芯片，即通過(guò)微機械加工工藝制作出低成本各參數指標和使用性能可與國外同類(lèi)產(chǎn)品競爭的胎壓傳感器IC芯片，為國內諸多TPMS廠(chǎng)商配套，逐步已優(yōu)越的性?xún)r(jià)比為國際廠(chǎng)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(chēng)為E型硅杯結構)的剖視和底視示意圖。相當于一個(gè)周邊固支的平膜片結構(俗稱(chēng)C型結構)的膜片中心有一個(gè)厚硬心島。通過(guò)計算和實(shí)驗，芯片的抗過(guò)載和抗振動(dòng)能力，同時(shí)也擴大并提高量程品種及延長(cháng)使用壽命，E型硅杯原理結構如圖1、2所示。

　　在產(chǎn)品技術(shù)設計上兼顧了傳感器參數指標的通用性，便于芯片應用拓展至汽車(chē)發(fā)動(dòng)機電噴系統的歧管壓力傳感器(芯片電橋工藝版圖見(jiàn)圖2)。避免造成其參數的非專(zhuān)業(yè)性配套，其溫度系數偏高、過(guò)載能力低、靈敏度參數分散等問(wèn)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(cháng)供電電池使用壽命。

　　根據設計計算，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(cháng)度為80mm，設計為20個(gè)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(shí)用光刻版還應考慮到組橋時(shí)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。

數學(xué)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(shí)(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型膜片的大膜內切半徑為R，硬心島外切半徑為ro時(shí)，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(chēng)，當C=0.5時(shí)，這種對稱(chēng)性更好，的對稱(chēng)點(diǎn)，即=0點(diǎn)在r≈0.76R處，但=0的點(diǎn)卻在r≈0.85R處，因此采用這種方案時(shí)電阻徑向分布尺寸不宜超過(guò)1/10R。

實(shí)現工藝要點(diǎn)

工藝版圖設計

　　當加大并加厚芯片尺寸，可實(shí)現芯片量程拓展，芯片為一個(gè)固邊固支的方形平膜片，具有3~10倍的過(guò)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(shù)問(wèn)題：

　?、俑哔|(zhì)量的硅-硅真空鍵合工藝；

　?、诰鶆蚝透吆细衤实臏p薄工藝；

　?、鄹邷蚀_度高均勻的摻雜一致性及細長(cháng)電阻條一致性控制以確保傳感器的低溫度漂移；

　?、軆葢ζヅ湎夹g(shù)以確保傳感器的時(shí)間穩定性；

　?、菹鄳目闺姶鸥蓴_設計；

　?、薹庋b設計與工藝中的抗高振動(dòng)及離心加速度措施；

　　工藝流程示意圖見(jiàn)圖4。

指標測試

　　本項目產(chǎn)品是依據汽車(chē)胎壓國際標準，結合國內用戶(hù)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)監督局審訂的相關(guān)產(chǎn)品標準，通過(guò)航天部304所型式實(shí)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(diǎn)，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(mǎn)足不同產(chǎn)品的對芯片的結構、參數要求，按照芯片尺寸與工藝版圖的最低要求和分類(lèi)原則，結構設計分為三種芯片類(lèi)型，大大減少了芯片品種，擴大了芯片的應用領(lǐng)域。

結語(yǔ)

　　運用MEMS工藝技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)輪胎壓力傳感器，具有體積小、重量輕、耗能低、性能穩定，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(shí)，拓寬了產(chǎn)品應用范圍，提高芯片推廣價(jià)值和產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。

　　汽車(chē)輪胎壓力傳感器芯片開(kāi)發(fā)，對于降低高速行駛的汽車(chē)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(gè)國家社會(huì )的長(cháng)治久安和整個(gè)國民經(jīng)濟發(fā)展均具有重要的社會(huì )現實(shí)意義。

圖5 產(chǎn)品實(shí)物照片