目前TPMS主要有三種實(shí)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(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測(cè)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(shù)據(jù)發(fā)送到中央微處理器進(jìn)行分析,，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車(chē)內(nèi)的顯示器上,。顯示器的類(lèi)型和當(dāng)今大多數(shù)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(jī)任務(wù)，接TPMS可以連接至顯示器,。告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足,，并可檢測(cè)到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測(cè)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(cè)到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側(cè)的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎,。當(dāng)所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí),，系統(tǒng)也可以檢測(cè)到故障。汽車(chē)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(chē)載輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS.

　　本文重點(diǎn)描述運(yùn)用MEMS微機(jī)械加工工藝技術(shù)設(shè)計(jì),、加工,、生產(chǎn)胎壓傳感器IC芯片，即通過(guò)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(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的胎壓傳感器IC芯片,，為國(guó)內(nèi)諸多TPMS廠商配套,，逐步已優(yōu)越的性價(jià)比為國(guó)際廠商提供芯片。

圖1 E型芯片剖視與底視圖

　　結(jié)構(gòu)原理

　　芯片設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)厚硬心島。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn),，芯片的抗過(guò)載和抗振動(dòng)能力,，同時(shí)也擴(kuò)大并提高量程品種及延長(zhǎng)使用壽命，E型硅杯原理結(jié)構(gòu)如圖1,、2所示,。

圖2 芯片電橋工藝版圖

　　在產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)的歧管壓力傳感器,。避免造成其參數(shù)的非專(zhuān)業(yè)性配套,，其溫度系數(shù)偏高、過(guò)載能力低,、靈敏度參數(shù)分散等問(wèn)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(zhǎng)供電電池使用壽命,。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，得出芯片版圖設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為80mm,設(shè)計(jì)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(yīng)考慮到組橋時(shí)濃硼引出附加電阻的對(duì)準(zhǔn)性對(duì)平衡的影響等版圖設(shè)計(jì)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(shí)（常用設(shè)計(jì)）,、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(shí),，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(hào)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(duì)稱，當(dāng)C=0.5時(shí),，這種對(duì)稱性更好，的對(duì)稱點(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(xiàn)工藝要點(diǎn)

　　工藝版圖設(shè)計(jì)

　　當(dāng)加大并加厚芯片尺寸,，可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的芯片工藝版圖,。

圖3 按不同量程設(shè)計(jì)的芯片工藝版圖

　　主要解決的工藝技術(shù)問(wèn)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(zhǎng)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(shí)間穩(wěn)定性,；

　?、菹鄳?yīng)的抗電磁干擾設(shè)計(jì)；

　　⑥封裝設(shè)計(jì)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.

圖4 工藝流程示意圖

　　指標(biāo)測(cè)試

　　本項(xiàng)目的產(chǎn)品是依據(jù)汽車(chē)胎壓國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),，結(jié)合國(guó)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(guò)航天部304所型式實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后,，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)使用指標(biāo)要求。

　　應(yīng)用拓展與延伸

　　結(jié)合MEMS工藝特點(diǎn),，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(jì)上，考慮到滿足不同產(chǎn)品的對(duì)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(lèi)原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三種芯片類(lèi)型,，極大地減少了芯片品種,，擴(kuò)大了芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　運(yùn)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(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(shí)拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用范圍,，提高芯片推廣價(jià)值和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

　　汽車(chē)輪胎壓力傳感器芯片開(kāi)發(fā),，對(duì)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(guó)家社會(huì)的長(zhǎng)治久安和整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展均具有重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 產(chǎn)品實(shí)物照片