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感知「利」器|TPMS適用的加速度和壓力感測器單矽片集成晶元

感知「利」器|TPMS適用的加速度和壓力感測器單矽片集成晶元

工欲善其事,必先利其器。在全球化的今天,專利已不僅僅是創新的一種保護手段,它已成為商業戰場中的利器。麥姆斯諮詢傾情打造MEMS、感測器以及物聯網領域的專利運營平台,整合全產業鏈知識產權資源,積極推動知識產權保護與有效利用。

在航空航天、工業自動化控制、汽車電子、航海以及消費電子等領域中,需同時測量加速度、壓力等參數。如在汽車TPMS(輪胎壓力檢測系統)中,利用安裝各輪胎里的壓力感測器來實時檢測輪胎氣壓情況,並將各個輪胎氣壓狀況信息反饋到控制面板進行實時顯示及監測,確保汽車安全運行。當輪胎氣壓過低或有滲漏現象存在時,系統會自動報警。輪胎中同時安裝有加速度感測器模塊,加速度感測器用於檢測汽車是否在行駛,利用其對運動的敏感性,實現汽車移動即時開機,進入系統自檢、自動喚醒。汽車高速行駛時,按運動速度自動智能確定檢測時間周期,並通過輔助軟體對汽車行駛過程中的安全期、敏感期和危險期進行監控並做出預警判斷,以逐漸縮短巡迴檢測周期和提高預警能力、從而大大地降低系統功耗。

當前,基於壓阻檢測的TPMS集成晶元結構主要有以下兩種:

(1)利用矽片雙面微加工方法結合鍵合技術製作集成晶元,即採用兩步各向異性濕法刻蝕方法分別形成壓力薄膜和質量塊。通過硅-硅鍵合或硅-玻璃鍵合來製作壓力感測器的參考壓力腔體和加速度感測器的結構支撐框架,最後再利用矽片正面干法刻蝕釋放可動結構。

(2)壓力感測器敏感薄膜由LPCVD(低壓化學氣相沉積)沉積薄膜材料組成,例如:低應力氮化硅、多晶硅等,在薄膜上方製作多晶硅壓敏電阻形成檢測電路;加速度感測器採用熱對流原理實現檢測。

【推薦發明專利】

《加速度和壓力感測器單矽片集成晶元》

【技術背景】

上述第一種結構方式主要採用硅體微機械工藝製作,採用兩步背面KOH刻蝕減薄矽片和高溫鍵合製作壓力感測器的腔體及加速度感測器懸臂樑和質量塊,這種製作方式不僅使加工后的晶元尺寸偏大,增加了生產成本,而且加工后壓力薄膜厚度不均勻,影響感測器輸出特性。同時,鍵合過程中不同材料間的熱不匹配所導致的殘餘應力對感測器溫漂也會產生較大的影響。

第二種結構方式採用表面微機械工藝替代體微機械工藝,通過採用低應力氮化硅或其他楊氏模量較大的沉積薄膜作為壓力感測器的敏感結構層,解決了體硅微機械加工薄膜厚度不均勻的問題。並且加工后整體尺寸較小,可有效降低加工成本。但是,由於其通過多晶硅摻雜的方法來加工檢測電阻,且多晶硅電阻壓阻係數遠小於單晶硅,壓阻係數約為單晶硅壓阻係數的二分之一,因此靈敏度偏低,不適於在高靈敏度檢測場合應用。還有就是由於這種結構的感測器需要通過濕法刻蝕犧牲層來釋放結構,很容易導致薄膜黏附失效,且由於受到薄膜沉積限制,不易製作大量程壓力感測器。

【發明內容】

本發明提供一種加速度和壓力感測器單矽片集成晶元及製作方法,可實現多感測器晶元集成製造,進而實現晶元的微小型化,滿足晶元低成本、大批量生產的要求。

本發明採用一種加速度和壓力感測器單矽片集成晶元,包括:一塊單晶硅基片和均集成在該單晶硅基片上的加速度感測器及壓力感測器;加速度感測器與壓力感測器集成於該單晶硅基片的同一表面。

本發明採用非鍵合的同一套單矽片微機械工藝通過單面加工將壓力感測器和加速度感測器集成在同一顆單晶硅晶元的同一表面上,結構簡單,構思巧妙,可應用於TPMS系統中,完成對加速度和壓力各參數的檢測。本發明不僅解決了當前體硅微加工的壓阻式壓力和加速度感測器集成晶元尺寸過大、不同鍵合材料間熱不比配所導致的殘餘應力和壓力感測器薄膜厚度不均的問題,而且還具有表面微機械加工所特有的優勢,加工后的晶元便於封裝,具有尺寸小、成本低、靈敏度高、穩定性好、精度佳等特點,適合於大批量生產。

【相關加速度感測器專利】

《雜訊可識別的高量程加速度感測器共振頻率的提取方法》

《單晶元硅集成三軸高頻寬高衝擊加速度計及其製作方法》

《高精度波長形加速度感測器及其製備方法》

《加速度計內嵌壓力感測器的單矽片複合感測器結構及方法》

【相關研究報告】

《英飛凌胎壓監測感測器(TPMS):SP37》

《飛思卡爾胎壓監測感測器(TPMS):FXTH87》

《mCube晶圓級晶元封裝(WLCSP)MEMS加速度計:MC3672》

《加速度計和陀螺儀市場-2016版》

《賽峰Colibrys VS1000系列加速度計》

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