汽車(chē)輪胎壓力傳感器芯片應用研究

　　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。所以，行進(jìn)中的胎壓檢測就顯得尤為重要。如今已有不少?lài)腋咚俟钒踩珔f(xié)會(huì )立法強制實(shí)施，輪胎壓力監測系統TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對于提高汽車(chē)安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長(cháng)期運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(cháng)的工作壽命等是TPMS的重點(diǎn)要求，因此其方案的設計和芯片選擇也圍繞這些要求進(jìn)行。

　　目前TPMS主要有三種實(shí)現方式，即直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS.但是，間接TPMS有一定的局限性。直接TPMS采用固定在每個(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì )通過(guò)發(fā)送器將胎壓數據發(fā)送到中央微處理器進(jìn)行分析，分析結果將被傳送至安裝在車(chē)內的顯示器上。顯示器的類(lèi)型和當今大多數車(chē)輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直包括從機任務(wù)，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機哪個(gè)輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿(mǎn)足多輪胎壓力檢測要求，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎。當所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統也可以檢測到故障。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.

　　本文重點(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。

　　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。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：

　　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;

　　工藝流程示意圖如圖4所示.

　　指標測試

　　本項目的產(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，極大地減少了芯片品種，擴大了芯片的應用領(lǐng)域。

　　結束語(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、耗能低、性能穩定，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(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