汽車輪胎壓力傳感器芯片與應用

前言

汽車在高速行駛過程中，輪胎故障是駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。根據美國汽車工程師學會的調查，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。據國家橡膠輪胎質量監(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)現車胎漏氣，是汽車防止爆胎和能否安全行駛的關鍵。因此，行進中的胎壓檢測就顯得尤為重要。

汽車輪胎壓力傳感器IC芯片的目標產品為MEMS技術和集成電路技術相結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)。而國內多數汽車廠家目前正在進行實驗性研究。

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微機械加工工藝技術設計、加工、生產胎壓傳感器IC芯片，即通過微機械加工工藝制作出低成本各參數指標和使用性能可與國外同類產品競爭的胎壓傳感器IC芯片，為國內諸多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按不同量程設計的芯片工藝版圖

圖4 工藝流程示意圖

結構原理

芯片設計采用了單島膜結構，下圖為產品的單島膜結構(又稱為E型硅杯結構)的剖視和底視示意圖。相當于一個周邊固支的平膜片結構(俗稱C型結構)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，同時也擴大并提高量程品種及延長使用壽命，E型硅杯原理結構如圖1、2所示。

在產品技術設計上兼顧了傳感器參數指標的通用性，便于芯片應用拓展至汽車發(fā)動機電噴系統(tǒng)的歧管壓力傳感器(芯片電橋工藝版圖見圖2)。避免造成其參數的非專業(yè)性配套，其溫度系數偏高、過載能力低、靈敏度參數分散等問題；芯片的襯底濃度遠大于103，使電橋電阻值高，降低功耗，延長供電電池使用壽命。

根據設計計算，得出芯片版圖設計E型硅杯結構為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，實用光刻版還應考慮到組橋時濃硼引出附加電阻的對準性對平衡的影響等版圖設計技巧。

數學模型與分析

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C值為0.5時(常用設計)、單島膜結構中心最大位移僅為平膜的四分之一。

當E型膜片的大膜內切半徑為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：

，是平膜邊緣應力的倍。

從式中看出，應力和均近似對稱，當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。