汽车MEMS压力传感器的研究与应用-肖沛宏

汽车用MEMS压力传感器的研制及应用肖沛宏东风襄樊仪表系统有限公司2006-12-20Reportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第1页摘要：本文介绍了采用扩散硅压力芯片和MEMS封装技术研制汽车压力传感器的过程。项目研制的重点在于对应变压阻芯片的力学特性，封装技术、引线键合的特点及难点、信号调制等关键应用技术领域的分析研究，试验验证等。通过对应用产品的试验验证证实，本项目成果满足设计和应用的要求，产品达到国内同类产品的领先水平。关键词微电机系统，压力传感器，设计，封装，应用Keywords:MEMS，Pressuresensor，Design,Package,Application简介汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器的发展水平很大程度上决定了汽车电子化和智能化的水平。传感器作为汽车仪表和电子控制装置的重要部件，分布在汽车的各个控制系统中。如：发动机燃油控制系统、制动控制系统及车身控制系统等，均离不开高性能的传感器。据赛迪数据（CCID）统计显示，目前一辆普通汽车上的传感器大约20多个，而有些高档轿车上的传感器多达200多个。预测2005年中国汽车电子产品总产值将达到1050亿元，而未来的3至5年，电子信息产业同汽车工业通过融合将形成4000亿美元的汽车电子市场。随着中国汽车产业的快速发展，传感器无疑将成为未来3-5年内增长速度最快的产业。传统的传感器由于体积和重量大、精度低，在汽车上的应用受到很大的限制。MEMS（MICROELECTRONIC&MECHANICALSYSTEM）是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，用MEMS技术研制的微型传感器具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、易于批量生产、成本低的优势。它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。本项目是根据东风有限公司研发的柴油电喷发动机Dci11和T1汽车平台的需求提出的。通过对产品的技术要求和使用状态需求的分析，确定本项目采用MEMS技术。其型号产品为：机油压力传感器（D5010437049AN63）制动气压传感器（3682610-C0100）项目研制完成后，其应用产品不仅可以满足东风有限在机油压力监测、空气制动系统压力监测的需求，取代进口CKD件；同时还将运用到其他电子控制系统上，如ECAS系统、轮胎气压监测系统，发动机供油系统共轨压力(commonrailpressure)的监测等，具有广阔的市场前景。Reportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第2页1汽车MEMS压力传感器的功能设计定义1、预期功能及主要技术指标（1）产品的主要功能及用途：MEMS压力传感器是基于SiO2的多晶硅（低压环境）或氮化硅（高压环境）压力传感器，主要用于监测汽车各系统的工作压力（油压、气压等）。本项目的研制主要应用于DCI11柴油发动机的机油压力传感器、T1车型用制动气压传感器，同时它的系列产品还将应用于轮胎压力监测传感器和发动机主油道轨压监测、ECAS系统气囊压力的监测以及加速度和振动参数的监测等。测量压力范围从负压（-0.1MPa）到160MPa（加速度测量除外）,温度范围从-40℃--+125℃。（2）主要技术指标如下:1、项目产品综合性能指标：测量范围：0—160MPa(commonrailpressure)0—1.6MPa(oilpressure)温度范围：-40℃—150℃压力迟滞：＜0.05%温度迟滞：＜0.05%功耗：＜1mW断裂压力：208MPa(30000PSI)-高压传感器传感器经过信号电路芯片条理后的输出特性可根据用户的要求进行定制设计。2、机油压力传感器（D5010437049AN63）电源电压：DC5V电源供给电流：8mA(max)工作温度：-40-+125℃输出电流：1mA（max）工作压力范围：-0.07-0.6MPa输出电压范围：0.585-4.5VDC/0-0.54MPa线性输出3、制动气压传感器（3682610-C0100）电源电压：DC5V储存温度：-40-+95℃工作温度：-40-+85℃基准工作电压：5VDC最大工作电压：7VDC标称压力：0-1.47MPa工作压力范围：0-1.6MPa输出电压范围：0.5-4.5VDC/0-1.47MPa线性输出4、性能应符合的标准和规范QC/T413-2002汽车电气设备基本技术条件抗干扰性能通过ISO7637标准的测试63EQC-01-2005机油压力（电子）传感器QC/T8-98汽车压力表CAN通信规范符合J1939J1587标准的规定Reportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第3页2、技术方案设计2．1设计方案的选择（1）机油压力传感器采用新的硅工艺传感器芯片，针对机油压力传感器的抗高低温、耐恶劣环境等特性要求，采用特殊的封装设计与并进行验证测试，对传感器温度特性进行补偿和防电磁干扰处理，分析失效机理及其预防措施，在生产过程中结合批量检测技术，通过各种标准的可靠性测试以及工作寿命等的考核，使产品符合汽车环境可靠性要求，同时能够满足大批量、高成品率的生产要求。（2）制动气压传感器采用新的硅工艺传感器芯片，针对气压传感器的抗高低温特性等要求，采用硅胶进行保护，并对封装进行验证测试，对传感器温度特性进行补偿和防电磁干扰处理，分析失效机理及其预防措施，在生产过程中结合批量检测技术，通过各种标准的可靠性测试以及工作寿命等的考核，使产品符合汽车环境可靠性要求，同时能够满足大批量、高成品率的生产要求。2．2关键技术的开发根据项目的技术要求，我们将项目产品的设计工作分为四个部分：即压力敏感芯片的设计、压力敏感芯片的封装设计与工艺设计、传感器调理电路的设计和传感器外形结构设计。其中：2．1．1压力敏感芯片的设计本项目采用的是基于硅压阻效应的MEMS压力敏感芯片。该芯片采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器，截面图如图1所示图1.压力传感器芯片结构示意图图2.压力传感器芯片版图在材料选择、芯片薄膜大小与膜厚的设计、压敏电阻在硅薄膜上位置的设计、压敏电阻的制作工艺、结构尺寸和阻值的设计等方面进行了研究，并对所设计的传感器灵敏度作了估算。压力传感器芯片结构为：1）芯片材料：以双面抛光100晶向4英寸N型单晶硅片作衬底，硅片厚度为50021345开环口Reportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第4页±5µm；采用扩散工艺制作P＋电阻，用PN结作终止刻蚀，用化学方法形成硅杯。2）芯片指标：测量量程：按需要确定，方膜边长设为1000µm，膜的厚度为25µm，桥路电阻为5KΩ；图2为所设计的压力传感芯片版图。3）压力传感器的灵敏度分析当压阻发生变化时，其输出电压信号的变化为：（1）由该式可求出传感器得灵敏度。在恒压工作情况下，压力传感器的灵敏度（SV）定义为每单位压力变化引起输出信号的相对变化量：（2）假设将电阻布置在薄膜边沿，在350－500µm的区间，其正交应力之差为250MPa，应用式（2）可求出压力传感器的灵敏度为0.1725mV/V-KPa。2．2．2压力敏感芯片的封装设计与工艺设计（1）机油压力传感器根据项目的技术要求，机油压力传感器需要直接暴露在被测量的机油中，因此，必须采用既能保护芯片又能保证所感受到的压力能够正常传递到敏感芯片上的封装方法。因此对传感器压力敏感芯片采用了气密充油的不锈钢封装（图3所示）。图.3机油压力传感器敏感芯片封装外型采用这种封装的产品可以满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上芯片与环境或大地是绝缘的；4）是电磁屏敝的；5）用气密的方式隔离机油；6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。机油压力传感器的封装与工艺设计主要包括：隔离膜片的设计、传感器封装结构设计、封装材料设计和封装工艺设计。图4是机油压力传感器的封装设计三维模型图,图5是剖面示意图。图4图5tlVPRVPVS44inout211PR1＝tlininoutVVRRV244Reportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第5页1)不锈钢隔离膜片的设计根据产品的技术要求，不锈钢隔离膜片应在测量压力范围内的变形是处在线弹性范围内的。为了提高膜片的变形量，并增加其线性范围，我们选择波纹状作为不锈钢隔离膜片，如图6所示。图6.不锈钢波纹片这种波状的薄膜在同样的载荷下既能产生较大的变形，又能增加线性范围。其挠度y与压力P的关系表达式为：（3）其中213122qqqAp，33619322qqqBp（4）式中q是薄膜波形特征因子，对正弦波型其q为：25.11hHLsq（5）式中，h＝膜片的厚度，R＝膜片的半径，s＝波形弧长；H＝波形深度；L＝波形空间周期。对平的薄膜q＝1，波形的精确程度对q几乎没有影响，因此矩形波形一般可用正弦波近似。为保证压力传感器波纹片上感受到的压力能正常传递到压力敏感芯片上，需要在波纹片和压力敏感芯片间充注硅油。硅油优良的绝缘性能，又保证了敏感芯片与传感器外壳间的绝缘程度可以满足产品设计的要求。我们应用了小变形理论，导出了充油腔体的体积变化与压力的关系如下：VaEhP6231316（6）式中ΔV为填充油的体积变化，E为不锈钢膜片的杨氏模量，ν为泊松比，h为膜片的厚度，a为膜片的半径。若硅油体积不发生变化，即硅油为不可压缩的液体，那么，外界压力将通过硅油无损耗的直接传递到硅膜片上，此时硅膜片将发生变形，因此，能准确的测出外界的压力。为了分析压力通过隔离薄膜的传递规律，我们对这种封装形式的传感器作如下假设，即假设硅油是不可压缩的，不锈钢膜片可看成周边固支的圆形薄膜，则压力通过硅344hyBhyAEhPRppReportofprojectresearch&devolopmentsecretDongfengxiangfaninstrumentsystemCo,ltd第6页油传递到硅薄膜将不引起任何附加损耗。简化模型如图7所示。PPgPSiM图7.隔离薄膜压力传感器弹性简化模型当外界作用在传感器上的压力为P时，压力通过不锈钢膜片再由硅油传递到硅压力膜片上，若不锈钢膜片的弹性反作用力为Pm，硅的弹性反作用力为PSi，则有mSiPPP（7）由此，可得：SimSimmSiSimmmSiSiSiWWRaDDCCPWRCDWaCDP4441（8）式中Csi、Cm为常数，Dm为硅胶薄膜的刚度系数，可表示为3212(1)simmmEhDv，其中hm为隔离膜厚度，Em为杨氏模量，νm为泊松比；Dsi为硅薄膜的刚度系数，可表示为：3212(1)sisisisiEhDv，其中his为硅薄膜的厚度，ESi为硅的杨氏模量，νSi为硅的泊松比。（8）式表明：不锈钢隔离薄膜的半径越大、薄膜厚度越薄，压力越容易通过硅油传递到硅芯片上，压力的传递损失也越小。但硅油在外界压力的作用下总是