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。所以，行進(jìn)中的胎壓檢測就顯得尤為重要。如今已有不少國家高速公路安全協(xié)會立法強制實施，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS（Trie pressuremonitoring system），對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)境下長期運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長的工作壽命等是TPMS的重點要求，因此其方案的設(shè)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采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發(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)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，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。告訴司機哪個輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測要求，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，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側(cè)的兩個處于低壓狀態(tài)的輪胎。當(dāng)所有4個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，系統(tǒng)也可以檢測到故障。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.
本文重點描述運用MEMS微機械加工工藝技術(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
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。
圖2 芯片電橋工藝版圖
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。
圖3 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：
?、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?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；
?、軆?nèi)應(yīng)力匹配消除技術(shù)以確保傳感器的時間穩(wěn)定性；
⑤相應(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；
工藝流程示意圖如圖4所示.
圖4 工藝流程示意圖
指標(biāo)測試
本項目的產(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，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
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、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
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