感知“利”器｜TPMS适用的加速度和压力传感器单硅片集成芯片
2017-06-19 23:27:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在汽车TPMS（轮胎压力检测系统）中，利用安装各轮胎里的压力传感器来实时检测轮胎气压情况，并将各个轮胎气压状况信息反馈到控制面板进行实时显示及监测，确保汽车安全运行。
工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。
在航空航天、工业自动化控制、汽车电子、航海以及消费电子等领域中，需同时测量加速度、压力等参数。如在汽车TPMS（轮胎压力检测系统）中，利用安装各轮胎里的压力传感器来实时检测轮胎气压情况，并将各个轮胎气压状况信息反馈到控制面板进行实时显示及监测，确保汽车安全运行。当轮胎气压过低或有渗漏现象存在时，系统会自动报警。轮胎中同时安装有加速度传感器模块，加速度传感器用于检测汽车是否在行驶，利用其对运动的敏感性，实现汽车移动即时开机，进入系统自检、自动唤醒。汽车高速行驶时，按运动速度自动智能确定检测时间周期，并通过辅助软件对汽车行驶过程中的安全期、敏感期和危险期进行监控并做出预警判断，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、从而大大地降低系统功耗。
当前，基于压阻检测的TPMS集成芯片结构主要有以下两种：
（1）利用硅片双面微加工方法结合键合技术制作集成芯片，即采用两步各向异性湿法刻蚀方法分别形成压力薄膜和质量块。通过硅-硅键合或硅-玻璃键合来制作压力传感器的参考压力腔体和加速度传感器的结构支撑框架，最后再利用硅片正面干法刻蚀释放可动结构。
（2）压力传感器敏感薄膜由LPCVD（低压化学气相沉积）沉积薄膜材料组成，例如：低应力氮化硅、多晶硅等，在薄膜上方制作多晶硅压敏电阻形成检测电路；加速度传感器采用热对流原理实现检测。
【推荐发明专利】
《加速度和压力传感器单硅片集成芯片》
【技术背景】
上述第一种结构方式主要采用硅体微机械工艺制作，采用两步背面KOH刻蚀减薄硅片和高温键合制作压力传感器的腔体及加速度传感器悬臂梁和质量块，这种制作方式不仅使加工后的芯片尺寸偏大，增加了生产成本，而且加工后压力薄膜厚度不均匀，影响传感器输出特性。同时，键合过程中不同材料间的热不匹配所导致的残余应力对传感器温漂也会产生较大的影响。
第二种结构方式采用表面微机械工艺替代体微机械工艺，通过采用低应力氮化硅或其他杨氏模量较大的沉积薄膜作为压力传感器的敏感结构层，解决了体硅微机械加工薄膜厚度不均匀的问题。并且加工后整体尺寸较小，可有效降低加工成本。但是，由于其通过多晶硅掺杂的方法来加工检测电阻，且多晶硅电阻压阻系数远小于单晶硅，压阻系数约为单晶硅压阻系数的二分之一，因此灵敏度偏低，不适于在高灵敏度检测场合应用。还有就是由于这种结构的传感器需要通过湿法刻蚀牺牲层来释放结构，很容易导致薄膜黏附失效，且由于受到薄膜沉积限制，不易制作大量程压力传感器。
【发明内容】
本发明提供一种加速度和压力传感器单硅片集成芯片及制作方法，可实现多传感器芯片集成制造，进而实现芯片的微小型化，满足芯片低成本、大批量生产的要求。
本发明采用一种加速度和压力传感器单硅片集成芯片，包括：一块单晶硅基片和均集成在该单晶硅基片上的加速度传感器及压力传感器；加速度传感器与压力传感器集成于该单晶硅基片的同一表面。
本发明采用非键合的同一套单硅片微机械工艺通过单面加工将压力传感器和加速度传感器集成在同一颗单晶硅芯片的同一表面上，结构简单，构思巧妙，可应用于TPMS系统中，完成对加速度和压力各参数的检测。本发明不仅解决了当前体硅微加工的压阻式压力和加速度传感器集成芯片尺寸过大、不同键合材料间热不比配所导致的残余应力和压力传感器薄膜厚度不均的问题，而且还具有表面微机械加工所特有的优势，加工后的芯片便于封装，具有尺寸小、成本低、灵敏度高、稳定性好、精度佳等特点，适合于大批量生产。
【相关加速度传感器专利】
《噪声可识别的高量程加速度传感器共振频率的提取方法》
《单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法》
《高精度波长形加速度传感器及其制备方法》
《加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法》
【相关研究报告】
《mCube晶圆级芯片封装（WLCSP）MEMS加速度计：MC3672》
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