汽車在高速行駛過(guò)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(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的調(diào)查，在美國(guó)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(jù)國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的專家分析，在中國(guó)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(guó)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(shí)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。所以，行進(jìn)中的胎壓檢測(cè)就顯得尤為重要。如今已有不少國(guó)家高速公路安全協(xié)會(huì)立法強(qiáng)制實(shí)施，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS（Trie pressuremonitoring system），對(duì)于提高汽車安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(zhǎng)的工作壽命等是TPMS的重點(diǎn)要求，因此其方案的設(shè)計(jì)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(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內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡(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)車軸或車輛同一側(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.

　　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；

　　②均勻和高合格率的減薄工藝；

　?、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；

　?、軆?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；

　　⑤相應(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原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三種芯片類型，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