汽車輪胎壓力傳感器芯片應用研究

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，也是突發性交通事故發生的重要原因。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督中心的專家分析，在中國高速公路上發生的交通事故有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境中，能行駛正常并及時發現車胎漏氣，是汽車防止爆胎和能否安全行駛的關鍵。所以，行進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會立法強制實施，輪胎壓力監測系統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，因此其方案的設計和芯片選擇也圍繞這些要求進行。

　　目前TPMS主要有三種實現方式，即直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合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送器將胎壓數據發送到中央微處理器進行分析，分析結果將被傳送至安裝在車內的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數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，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，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側的兩個處于低壓狀態的輪胎。當所有4個輪胎都處于低壓狀態時，系統也可以檢測到故障。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視系統TPMS.

　　本文重點描述運用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。

圖2 芯片電橋工藝版圖

　　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動機電噴系統的歧管壓力傳感器。避免造成其參數的非專業性配套，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。