MEMS微機(jī)械加工工藝技術(shù)設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)研究

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(huì)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(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)中的胎壓檢測就顯得尤為重要。如今已有不少國家高速公路安全協(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(yùn)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(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量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì)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(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(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(jià)比為國際廠商提供芯片。

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。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，芯片的抗過載和抗振動(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(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(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準(zhǔn)性對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：

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倍的過載能力，圖3為按不同量程設(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;

③高準(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(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.

指標(biāo)測試

本項(xiàng)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(shí)驗(yàn)檢測后，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

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(gè)國家社會(huì)的長治久安和整個(gè)國民經(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