前言

　　汽車在高速行駛過程中,，輪胎故障是駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)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(xué)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(dá)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,。因此，行進(jìn)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(biāo)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(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(jìn)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(jī)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(jī)械加工工藝制作出低成本各參數(shù)指標(biāo)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(shè)計的芯片工藝版圖

圖4 工藝流程示意圖

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(dāng)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(kuò)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(biāo)的通用性,，便于芯片應(yīng)用拓展至汽車發(fā)動機(jī)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(yuǎn)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(yīng)考慮到組橋時濃硼引出附加電阻的對準(zhǔn)性對平衡的影響等版圖設(shè)計技巧,。

數(shù)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(dāng)C值為0.5時(常用設(shè)計),、單島膜結(jié)構(gòu)中心最大位移僅為平膜的四分之一。

　　當(dāng)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(yīng)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(yīng)力的倍,。

　　從式中看出,，應(yīng)力和均近似對稱，當(dāng)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(shè)計

　　當(dāng)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,；

　?、诰鶆蚝透吆细衤实臏p薄工藝；

　?、鄹邷?zhǔn)確度高均勻的摻雜一致性及細(xì)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(yīng)力匹配消除技術(shù)以確保傳感器的時間穩(wěn)定性,；

　?、菹鄳?yīng)的抗電磁干擾設(shè)計；

　?、薹庋b設(shè)計與工藝中的抗高振動及離心加速度措施,；

　　工藝流程示意圖見圖4。

指標(biāo)測試

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

應(yīng)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，大大減少了芯片品種,，擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用領(lǐng)域,。

結(jié)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、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(yīng)用范圍,，提高芯片推廣價值和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)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(jì)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