胎压侦测-《MEMS Pressure Sensor》-《芯苑》

 MEMS技术虽然吵得很火热,但是坦白讲这个技术已经存在50多年了,只是一直没有找到用武之地而已。加上其制作技术需要定制化的特殊性,又进一步限制了它的技术演进及普及。直至上个世纪90年代随着美国和欧盟对汽车安全和节能的要求,使得MEMS技术进入第一波猛增长期,很多我们熟悉的安全系统都使用到MEMS传感器技术,如安全气囊感应器(AirBag)、电子稳定系统(ESC)、防抱死(ABS)、电子节气门(e-Throttle)、胎压侦测系统(TPMS)等。根据iSuppli数据,全球automotive MEMS sensor从2006年474.2million一直增长到2012年的935.7million (CAGR: 12%)。

从MEMS技术角度讲比较经典的就是感应气囊和电子稳定系统中使用的加速度计(Accelerometer/Inertial sensor)以及胎压侦测系统使用的压力传感器(pressure sensor),本文先讲解轮胎压力传感器(TPMS: Tire Pressure Monitor System)。

开车的朋友们最忌讳的就是方向胎高速时候突然爆胎,主要就是因为胎压不足经过长时间的揉捻导致胎压和温度骤升而爆裂。即使没有爆裂由于胎压不足长期行驶会使得轮胎与地面摩擦增加而费油。所以胎压侦测系统的重要性可想而知。而根据iSuppli数据,TPMS的MEMS pressure sensor由2006年的43.1million增长到2012年的179million。

1、MEMS Pressure Sensor 结构原理:

MEMS Pressure Sensor的主要结构是有一个或多个压力敏感的膜层(pressure sensitive membranes)形成空腔结构,当外部气体压力发生变化的时候空腔膨胀导致膜层(Membrane)发生形变,通过量测形变的物理特性来感知压力的微弱变化,通常这种物理特性测试分为电阻式(Piezoresistive)和电容式(Piezocapacitive)。电阻式主要是利用材料的压电效应,将压电材料(Poly)沉积在硅的膜层上,当空腔由于气压变化产生形变之后导致Poly产生Energy band的变化导致Mobility变化最后导致电阻发生变化,通过惠斯通电桥(Wheatston Bridge)量测电阻的变化来侦测气压的变化(需要3~5V电压感知出mV级别的电压差异)。由于材料的电阻特性受温度和掺杂浓度影响非常敏感,所以这种结构非常不稳定。而且从功耗的角度讲还是要用电容式(Piezocapacitive)做胎压侦测,因为电容结构比较没有电流的流动而产生功耗。

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而对于电容式(piezocapacitive) MEMS传感器,它主要依靠膜层形变导致与衬底距离变化使得电容发生变化来感知气体压力变化,其结构类似惠斯通电桥结构,只是把电阻换成了电容而已,采用惠斯通桥式电容结构主要是避免寄生电容以及提高信噪比(SNR)。而可变电容为感知部分,参考电容为固定电容所以它不能随压力变化(可以通过上面Passivation film保留使其对压力不敏感实现)。

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这种结构相比于电阻式结构它的膜层小了很多,有助于提高膜层的谐振频率(resonance frequency)和膜层的硬度,从而提高了制造的良率和可靠性(膜层面积太大容易塌掉)。但是在电容式MEMS压力传感器里面主要的技术问题是电容的模拟信号,而不像电阻式的传感器测试的电压直接可以比较得出“0”和“1”,所以它需要一个ADC讲模拟信号转换成数字信号进行电压比较。《MEMS for Automotive and Aerospace Applications》--Michael Kraft, Neil M White. (http://books.google.com)

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2、MEMS Pressure Sensor的制造方法:前面概论里面讲了MEMS工艺有两种方法,体硅工艺和CMOS兼容的表面硅工艺,都可以用来制作Pressure Sensor的Membrane。

1) 体硅工艺(Bulk-Silicon):可以用KOH或者TMAH试剂吃Silicon形成凹槽,表面留一层5~20um薄的Silicon film即可(电阻式的~20um,电容式的5~10um),这就是压力感应层。然后将其与另外一层耐热玻璃(Pyrex Glass)贴合起来就可以形成空腔了。该技术难点是如何控制表面的5~20um的Silicon膜层厚度?因为湿法蚀刻无法精准控制必须有蚀刻终止层。推荐的做法是注氧隔离形成类似SOI的Burried OX作为背面的Si蚀刻终止层,或者外延一层5~20um的高浓度Boron-doped EPI,而高浓度Boron掺杂的EPI在KOH或TMAH下的蚀刻速率很慢,可以作为蚀刻终止层。

2) 表面硅工艺(Surface Silicon):这个比较难,怎么做这个全封闭的空腔?这里就要用到牺牲氧化层工艺,先长一层牺牲氧化层(衬底片需要先长一层介质层如SiONx作为上下极板隔离用),厚度取决于你空腔的高度,后面长一层5um的Poly,后面再用HF把腔体里面的OXIDE吃掉就形成了腔体了。问题来了,这个HF要进去的孔怎么形成的?后面又如何封上形成封闭腔体的?所以需要在沉积Poly之前通过一层Photo/Etch沿着腔体边缘吃掉Oxide,但是在需要留孔的位置盖上光阻留下Oxide,将来这里就是HF进去的地方,后面通过后面的ILD的Oxide沉积就可以把这个洞封起来。

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3、TPMS系统解说:不管是TPMS还是MEMS都侧重一个东西最后一个字母“S”,表示系统,尤其我们搞IC的自然就是微系统。不管你是做设计的还是做制造或封装的,其实都是一个单一领域的东西,最后都要形成系统层面的东西才能变成应用,那系统究竟是什么?大繁至简!系统就是给个输入,它给你个输出,这就是系统。而我们的TPMS系统则包括压力传感器、运动传感器、RF通讯模块、ASIC电路、以及电源管理。

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1) 压力传感器系统:单一压力传感器包括压力传感元件、温度传感元件、A/D转换器、滤波器、放大器、比较器、缓冲器以及温度补偿等。其中温度补偿(TCS)主要考虑热胀冷缩问题导致压力发生变化,所以根据感测到温度变化做温度补偿。一般压力传感器和温度传感器属于MEMS部分,而其他则属于标准IC电路部分,我们称之为ASIC电路。其中电路部分除了上述核心单元外,还有RAM和OTP/EEPROM用于储存临时待比较的电信号以及产品代码和机身ID信息的存储。

2) 运动传感器(Motion Sensor):主要为了降低功耗,只有当汽车在运动才开始工作,减少静止能耗。Motion Sensor后面再详细解说。

3) RF发射模块:胎压侦测信号必须无线传输给驾驶台中控系统,这就涉及RF无线通讯技术。所以根据你的产品到不同国家需要有不同的通讯协议和带宽,比如美国/日本用315MHz而欧洲用434MHz。发射端为RF Transmitter的Antenna而在接收端则有LF Reciever。

4) 电源管理:MEMS本身用不了多少电,因为它的感知是很微弱的,而真正的电荷都用于通讯功率发射以及ASIC电路的powerdown current。

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而我们需要长时间工作一般汽车电子标准都是10年,那么小的东西最多放一颗纽扣电池,你如何能工作10年?电源管理固然重要,但是依然无法满足十年。所以电源获取技术也就是我们MEMS产业发展的重点,所以要么用无线充电要么获取外界能量(如振动、热能、光能等)转换成电能(Energy harvest)利用一个电容临时存储给电路使用即可。当然使用Energy Harvest获取的能量肯定很小,所以如果使用Energy Harvester,则power consuption必须非常低(Ultra-Low-Power),对电源管理芯片的挑战非常大。

值得一提的是这个Energy Harvest以及Ultra-Low-Power在可植入的医疗MEMS领域应用非常重要。

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 Pressure sensor除了在胎压侦测中使用外,还有气缸压力侦测,还有涡轮增压侦测等等,随着智能汽车的普及,Automotive MEMS pressure sensor必将持续增长。

 

http://www.yale.edu/eas996/smart/lect_7.html

http://pan.baidu.com/s/1o6IRDCe

http://pan.baidu.com/s/1qWvgY5I