具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例:
本发明涉及智能集成的多功能感应系统,对监测胎压,温度,电池电压,低频信号和机动车的轮胎加速度系统更显优越。本发明将压力传感器,加速度计,温度传感器,和电池电压集成在单芯片或多芯片上。单芯片或多芯片与集成电路集成封装在塑料体中或粘贴在电路板上。
本发明的外形紧凑封装可以产生轮胎压力信号,温度信号,电池电压电平,作为每个轮胎的初始识别的低频以及加速度计引起的振动开关信号。拥有集成电路的智能控制系统。加速度计广泛应用于汽车行业,尤其在安全气囊,防抱死刹车系统ABS和翻侧倾斜感应上。
本发明将低成本和高可靠性的加速度计集成在一个外形紧凑的有压力传感器、温度传感器、集成电路芯片和电池电压传感器的封装里,它可监控机动车的工作状况。因而,这新颖的系统能智能地初始化胎压温度监测系统、连续监控胎压、温度和车轮运动。本发明经研究了轮胎和车辆稳定性的相互关系,并发现在翻侧和不稳定运动中过压和低压情况下都会影响车辆的动态性和稳定性。监测每个轮胎的运动与单独应用加速度计作为振动开关同样重要。将不同的传感器和相关的集成电路集成在一起实现微型化是很理想的,但由于硅半导体制造工艺和微制造工艺的兼容性而难以实现。随着兼容CMOS的微制造工艺的发展,本发明将压力传感器、温度传感器、低频装置的晶体管和加速度计集成在单片或多片上,然后将相关的交互电路系统封装在一起,这种封装有合适的紧凑的管脚和外形,是终端用户的理想选择。在成熟的半导体工业中,由于微机械系统MEMS的技术发展,具备了微制造的特点,故此微型化可以通过基于微机械系统MEMS技术来实现。微机械系统MEMS装置包括安全气囊加速度计、压力传感器、光开关等等,大部分是体硅加工或表面加工完成的。由于氮化硅比多晶硅应力更小且对停止腐蚀起作用,故应用氮化硅可以更精确的控制得到所需的悬臂梁。本发明采用低成本、高可靠性的方式将多功能微机械系统MEMS仪器集成在塑料封装中,或将这些芯片直接粘贴在板上芯片COB的电路板上而不牺牲新封装的可靠性。选择适当的最小热应力失配的材料、低应力键合材料提高整个系统可靠性。
参见图1。这个模块将胎压温度监测系统的感应器件集成在单一的全浇注塑料封装100里。感应器件包括三个芯片:加速度计104,集成了温度传感器的集成电路105和压力传感器106。101是塑料封装体,它需要一个特定设计的模具。树脂成型工艺塑封了加速度计104、温度传感器的集成电路105。102是插脚引线。塑料外壳可以是基于模塑料的环氧物。这三个芯片在内部通过引线框架103互连。利用引线键合107实现对芯片焊盘和引线框架之间的互连。三个芯片用特殊的粘合剂粘合在引线框架上。加速计用的粘合剂110可以是银Ag玻璃粘合剂。集成电路用的粘合剂111是环氧粘合剂或一些焊料合金。压力传感器用的粘合剂112可以是低应力粘合剂。压力传感器106通过硅树脂凝胶108进行保护。当填充硅树脂凝胶时,必须要特别小心,否则压力传感器的微机械系统MEMS部分可能被损坏。凝胶是几乎不引入压力错误的低系数橡胶,但可以通过电路校准或通过基于非线性粘塑性有限元的设计建模进行补偿。最后,封装的开口处用一钢帽109密封并留有一个小的压力检测孔113。
参见图2,图2是在胎压温度监测系统里塑料封装的感应器件的俯视图。在这里加速度计104,温度传感器的集成电路105和压力传感器106和引线键合107都在同一个引线框架103上。
参见图3,图3是3轴热加速度计的原理图。在省电模式、初始化模式和需要正常运动传感器的情况下,加速度计是为了唤醒胎压温度监测系统。当在每个轮胎上安装传感器时,温度传感器的集成电路105将自动地发送低频信号到传感器附近的接收单元,然后传送到中心控制单元以实现初始值的设定。当轮胎不转动或角速度太高时,工作在省电模式,节省电池能量。将测到的加速度信号与唤醒系统的阈值相比较,如果加速度值大于阈值,装置转向“运行”模式。加速度计通常需要气密性封装。在这里,加速度计是用来监测机动车的运动情况。加速计可以是基于压阻效应、电容或热效应。众所周知,掺杂硅的压阻效应可以感应外部压力引起的应变变化导致的电阻变化。改变两板或多板之间的介质、间隔或面积可以引起电容的变化。
由于二维CMOS工艺的局限,当前的热加速度计仅能提供X和Y方向上的灵敏度。图3是热加速度计图。由图可见,等温线并不垂直对称的。30是硅衬底,35是加热器和34是热气泡。热电偶32是用来测量在热结合处33和冷结合处31之间的温度差异。在热结合处那一点的热梯度显示了垂直分量,振幅取决于在垂直的方向上的热的不对称以及热连接点的位置。沟深和封装高度将影响到在垂直的方向上热的不对称性。本发明用热电偶的共模电压获取Z轴的加速度信号。虽然这信号的灵敏度比X,Y轴的灵敏性小得多,但这对作为胎压温度监测系统传感器在不同的工作模式之间的切换测量径向加速度已经足够了。通过本发明精密的基于计算流体动力学CFD原理和实验工作的建模,对于在加速度计上的平面热交换而言,在Z轴上的灵敏度可达到1/6-1/10的灵敏度。这也使加速度计的成本在集成传感器系统中达到最小。
参见图4,图4是加速度计的封装截面图。圆片级封装能降低装置的尺寸和成本。3轴加速度计是圆片级封装的。传感器芯片40和封盖芯片用玻璃42合在一起。45是热加速度计的加热器,提供基于加速度计传感器的热量。为了给气泡提供足够的空间,对两圆片进行等离子体刻蚀约300um深。在这里使用的玻璃的热膨胀系数与硅的相似,因此,在芯片和封装之间将没有较大的热应力失配。热加速度计成本低且具有较高可靠性。因此,加速度计引入的应力是很小的。用丝网印刷术在传感器圆片40上涂上15um厚的玻璃料。使用玻璃料的是为了补偿由于表面的不平坦而导致的线路。然后两圆片在400℃的温度下键合在一起。电信号从封盖芯片的通孔46传出,通孔是金属铜43。通孔的刻蚀剂是KOH溶液。铝焊盘淀积在封盖芯片上,通过引线键合或倒装焊进行互连,与压力传感器和集成电路附属在同一引线框架上。
为降低成本和提高可靠性,体硅加工的压力传感器也应用于胎压温度监测系统感应系统中,压力传感器和Z轴加速度计是在同一芯片上制作并封装在一起。
参见图5展示了在同一芯片上对压力传感器和加速度计进行体加工的技术,两个器件都是压阻式的。
在图5A中,具有一致性的氮化硅501和多晶硅薄膜502淀积在硅圆片500上。在进行背面体硅加工时,先在圆片背面淀积一氮化硅层,然后设置刻蚀窗口。用传统技术淀积的多晶硅层,例如低压化学气相淀积LPCVD。
在图5B中,形成压电电阻503,504,505。电阻器根据上面的方法淀积和成图案。压电电阻503,504用作压力传感器,压电电阻505用作加速度计。
在图5C中,另一0.1um厚的氮化硅层507被淀积作为钝化层。作为电信号金属层506也被淀积和成图。
在图5D中,在圆片背面用氢氧化钾KOH溶液进行各向异性刻蚀以形成悬臂梁,508和509是蚀刻成的腔。在刻蚀过程中,用O型环在刻蚀溶液中来保护圆片的正面。
在图5E中,KOH溶液也可用来从圆片的正面刻蚀掉加速度计的质量块。
参见图6,图6显示了封装在板上芯片COB中的胎压温度监测系统传感器截面图。考虑到零点漂移、滞回现象、循坏漂移的设计和需求,玻璃或硅底座是需要的。下面将讨论无硅底座的引线键合图6A和有硅底座引线键合图6B。
胎压温度监测系统传感器是用板上芯片COB封装的,以降低制造成本和减少尺寸。引线键合板上芯片COB封装一般应用在低成本、多芯片模式下的,例如对由于有机板和芯片的热应力失配的监控。然而,正如第一发明者在2003年的美国社会机械工程会议上指出,可以通过低应力的切片粘贴或者应用适当厚度的硅/玻璃底座,使得滞回现象、循环漂移和零点漂移达到最小。这构成在胎压温度监测系统中作为板上芯片新封装技术的基础。此外,当前的20%到25%的压力下降对正常胎压30psi来说是非常大的问题。而板上芯片COB封装可以为胎压温度监测系统提供准确的传感器,而且成本低廉。
在图6A中,60是COB封装的衬底,是FR4制造的印制电路板PCB。衬底为电子封装提供了许多优势,例如低成本、低介电常数和好的电绝缘。陶器衬底也可在一些临界应用中使用。当进行PCB布局时,通孔62作为压力入口,PCB上的铜走线和焊料掩膜提供了键合焊盘以及在MEMS传感器63和集成电路64之间的互连。粘合剂树脂67不仅将芯片粘贴在板上,而且也对芯片和衬底之间的热膨胀系数的不匹配进行补偿。两芯片都通过低成本的引线键合连接到衬底上。最后,整个电路板被金属帽66完全密封。金属帽66和衬底60被粘合剂61粘在一起。
图6B展示了有硅底座的引线键合。该引线键合使得零点信号漂移、循坏信号漂移和从低温到高温循坏滞回现象达到最小。68是硅底座,它用玻璃与传感器圆片结合一起的,制作过程与上面的加速度计键合过程相似。
图6C显示了在COB封装上涂上聚合物层69,该聚合物可以是帕利灵或是其它硬聚合物材料。贴片和引线键合之后涂上聚合物层,然后将整个芯片放到炉里加热固化。
参见图7,图7表示胎压温度监测系统传感器的圆片级封装。体硅加工的传感器702用一个穿孔玻璃圆片700保护,在702上面有个压力入口701,并堆叠了硅晶片703。微加工传感器包括压力传感器707和Z轴加速度计708。加速度计是密封封装的。传感器圆片702和底座圆片703用金层709键合在一起作为中间层。传感器圆片和玻璃圆片700通过阳极键合在一起的。首先在传感器圆片上溅射一层大约0.1um厚的金。溅射操作是物理气象淀积PVD。光刻过程界定电镀范围。然后电镀一0.1um高的金层。在两圆片清洁之后,将两圆片在共熔温度400C进行键合。使用的玻璃圆片700是平整度优于5um的耐热玻璃Pyrex 7740。在玻璃圆片和传感器圆片之间对准之后,在两圆片间作用600V电压进行阳极结合。凸点底层金属UBM 705由钛钨Ti-W和铜Cu组成。UBM和凸点704是通过电镀形成的。圆片级封装后,压力传感器和加速度计可以通过倒装焊键合粘贴在印刷电路板上。
参见图8,图8是集成电路功能块图。混合信号ASIC实现信号调节和传感器数字化输出到RF模块。数字部分是用标准Verilog HDL语言设计的。模拟部分是全客户定制设计的,当完成芯片布局时,模拟和数字部分混合在一起。8位CPU控制集成电路芯片。加速度信号和压力信号作为多路复用模块的输入信号,可以通过集成电路的数字I/O端进行对输入的选择。为了对MEMS仪器进行微调,仪器放大器工作在可编程增益的差分模式下。模数转换ADC应用一阶的∑-ΔADC(Sigma-Delta ADC)。Sigma-Delta ADC调节器是全微分可变电容器电路,由单芯片振荡器计时。电池传感器发出的电压信号与电池电压成比例,这样当电池用完时系统会给出指示。为了在制造时更高的产出,压力传感器需要调配。当压力校准之后,控制记录存储在
单片EEROM里,下面是19位控制寄存器的定义:
B0.MASTER-在这一位上的存储值是没有意义的,除非相关的熔丝被烧断。一旦熔丝被烧断,串行接口就不工作,所以不会产生进一步的修正。
B1.REF1-这个控制位作为在微调时允许观察带隙参考电压。
B2-B4.BG[0:2]-.这3位微调输出电压,以及提高带隙参考的温度系数。控制字为二进制补码,全0代表额定的微调设定。每改变1相当于在带隙参考电压中1%改变。
B5-B8TOFF[0:3]-.这4位微调温度传感器输出的偏移量。控制字为二进制补码,全0代表额定的微调设定。温度传感器偏移量都是可调整的,每变化1等于总量程的1%。
B9-B12Ex[0:3]-.这4位通过微调输出阻抗调整压电晶体管的激发电压。控制字为二进制补码。
B13-B18AOFF[0:5]-.这6位微调压力传感器输出的偏移量。控制字为2进制补码,全0代表额定的微调设定。压力传感器偏移量是可调整的,每改变1等于全部刻度的3%的变化。
参见图9,图9显示集成在集成电路上的参考电压和温度传感器。带隙电路包括运算放大器902;p-沟道晶体管900,908,909;双极晶体管901和905,电阻903和904,来提供参考电压VREF。提供单片参考电压以允许提供独立的传感器敏感性和参考偏移量,并有约1.25伏特的值。带隙参考自然的副产品是与绝对温度成比例PTAT的电流。PTAT电流电路包括含有n-沟道晶体管906和907的电流反射。PTAT作为切片温度传感器,它能对压力传感器信号进行温度补偿。
参见图10,图10是仪器放大器的电路原理图。仪器放大器的目的是为提供模拟的与压力成比例的输出电压。仪器放大器包括差分输入阶段,包含运算放大器OpAmp 602,输入电阻600和反馈电阻604,和运算放大器OpAmp 603,输入电阻601和反馈电阻605。第二阶段的仪器放大器包括运算放大器608,输入电阻606,607,和反馈电阻609,和电流源DAC610。电流源是调整偏移量的,电阻609是可调电阻,它是用来微调信号的增益。