輪胎壓力傳感器系統TPMS的設計與研制

　　摘要：美國的NHTSA已出臺的TREAD法規引起新一輪汽車(chē)壓力傳感器應用高潮和TPMS產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)熱潮。為了該產(chǎn)品的國產(chǎn)品種開(kāi)發(fā)設計，我們研制出了一種輪胎壓力傳感器芯片，它是采用基于MEMS技術(shù)的硅體微機械加工技術(shù)制造的，采用硅—硅真空鍵合大大縮小單元尺寸，有利于降低成本。已研制成功的用這一芯片制造的壓力傳感器性能已達到了實(shí)用化要求。

前言:新世紀伊始，由于凡世通輪胎（Fire-tone）的質(zhì)量問(wèn)題，大量的爆胎和翻車(chē)事故造成了超過(guò)100人的死亡和400人的受傷，引起了汽車(chē)業(yè)界和美國政府的關(guān)注。該公司不得不于次年8月召回了650萬(wàn)只輪胎。據統計，美國每年有26萬(wàn)例交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，占交通事故的75%。而中國高速公路上交通事故的70%是由于爆胎引起的。

輪胎質(zhì)量專(zhuān)家認為，“保持標準的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵?！碑斍笆⑿械牡统杀镜氖謭淌綌底痔河嫴荒鼙ＷC及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣，目前用于200多萬(wàn)輛通用和福特公司汽車(chē)上的間接測量技術(shù)——用防搶死剎車(chē)輪胎速度傳感器來(lái)測量比較每一個(gè)輪胎轉速，從而推斷出輪胎的壓力是否不足的方法實(shí)在是既麻煩又不準確。

在每一個(gè)車(chē)胎中安裝上胎壓監測傳感器和射頻發(fā)射器的智能輪胎正在引起極大的關(guān)注，智能輪胎與汽車(chē)儀表盤(pán)上一個(gè)接受器及顯示器配合，即構成一個(gè)輪胎壓力器測系統，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直稱(chēng)為胎壓監測傳感器（Tire Pressure Monitoring Sensor）。

美國國家公路安全管理局上世紀七十所代中期的強制性聯(lián)邦法令，促成了燃油自動(dòng)噴射系統的普及及第一次汽車(chē)傳感器應用的高潮。2002年NHTSA的又一聯(lián)邦法案，規定美國汽車(chē)從2003~2006年，每年分別以15%，35%，65%，100%的比例裝配TPMS系統 ，這將掀起新一輪汽車(chē)壓力傳感器應用的高潮。

輪胎壓力傳感器

車(chē)胎獨特的工作環(huán)境條件，決定了胎壓實(shí)時(shí)監測的壓力傳感器的高要求，要求寬溫區，寬電源電壓范圍內較高的實(shí)用總精度要求，低功耗要求，無(wú)線(xiàn)信號傳輸要求，耐惡劣環(huán)境要求和低成本要求。

摩托羅拉（Motorola）公司是TPMS系統的積極開(kāi)發(fā)者，它采用基于MEMS技術(shù)的硅集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，具有低功耗和全集成的特點(diǎn)。采用32針封裝的MC68HC908RF2作為信號控制處理與發(fā)射單元，它是一個(gè)8位單片機和UHF發(fā)射器集成在一起的器件，采用MC33594作為接收單元。

近年為通用電器公司收購的著(zhù)名傳感器廠(chǎng)商諾瓦傳感器公司（GE NovaSensor）是另一個(gè)積極開(kāi)發(fā)者，它采用了基于MEMS技術(shù)的硅壓阻式壓力傳感器作為胎壓監測單元，配有一個(gè)能完成控制、測量、信號補償與調整及發(fā)射的專(zhuān)用CMOS大規模集成電路。將兩個(gè)芯片封裝在一個(gè)標準的14腳SOIC封裝中，即構成其TPMS，型號為NPXC01746，由于采用了喚醒瞬態(tài)工作模式，其功耗僅9.7微安秒，可滿(mǎn)足電池十年的工作壽命，由于采用了數字補償功能，在-40℃~+125℃，電池電壓2.1V~3.0V范圍內，測壓精度優(yōu)于1.5%FS，Nova模式的更大意義在于它可以采用現有的ASIC與任何一種集成惠斯頓全橋壓阻壓力傳感器復合集成，產(chǎn)生更多型號的TPMS產(chǎn)品。

挪威的SensoNor公司專(zhuān)業(yè)制造基于壓阻壓力的專(zhuān)用集成傳感器，由輪胎壓力監測系統供應商如TRW Automotive公司、SmarTire公司配套制作成TPMS,SensoNor的壓阻式輪胎傳感器與SmarTire的射頻發(fā)生器組合成功的TPMS已為西門(mén)子VDO汽車(chē)配件公司和美國固特異輪胎公司（Goodyear）采用。

輪胎壓力傳感器力敏芯片的設計與開(kāi)發(fā)

為開(kāi)發(fā)輪胎壓力傳感器，我們設計和研制出了一種適用的絕對壓力傳感器，它是一種基于MEMS硅體微機械加工技術(shù)的微型壓阻絕對壓力傳感器，敏感元件為―集成惠斯頓全橋。力敏電阻按常規設計分布在正方形硅薄膜的四邊邊緣中心點(diǎn)，按〈110〉晶向排列，一對呈縱向布局，一對呈切向布局，從而形成惠斯頓應變全橋。電阻條寬8um，全長(cháng)60um,平均有效應力可以保證20mV／V 的輸出靈敏度。電阻采用離子注入摻雜形成，有優(yōu)良的均勻性和摻雜準確度以保證零位和靈敏度的穩定性，電阻設計的阻抗為5KΩ，采用硅硅鍵合技術(shù)形成絕對壓力傳感器的真空參考腔。它比之用硅－pyrex玻璃陽(yáng)極鍵合形成絕對壓力參考腔有更優(yōu)良的熱膨漲系統匹配，因而更有利于產(chǎn)品的熱穩定性和時(shí)間穩定性。采用這一設計工藝技術(shù)的另一重大優(yōu)點(diǎn)是可以大大縮小單元芯片尺寸，本設計的單元芯片尺寸為1mm×1mm，在1個(gè)四英硅圓片上可制作七千余個(gè)力敏感元件單元，而采用硅―玻璃鍵合設計的單元芯片尺寸一般為1.5×1.5mm至2.2×2.2mm，因而在一個(gè)四英吋的硅圓片上可制的壓力敏感元件單元分別為3400個(gè)和1600個(gè)，顯而易見(jiàn)，我們的設計有利于降低單元制作成本。當然，采用這一設計的前提是掌握好硅―硅鍵合技術(shù)及薄硅膜片制作技術(shù)。鑒于輪胎壓力傳感器的量程較大，硅膜片較厚，采用精密機械減薄或各向同性腐蝕技術(shù)都不難達到設計的要求，即使將這一設計的量程下延至汽車(chē)用MAP和AAP絕對壓力傳感器的量程，采用Smart Cut 技術(shù)或外延片電化學(xué)選擇腐蝕技術(shù)亦不難獲得15~20um厚的硅薄膜。

非線(xiàn)性：0.05~0.1%FS；
遲滯與重復性：0.03%FS；
輸出靈敏度：10~20mV／V；
量程：700Kpa；
過(guò)載能力：300%；
零點(diǎn)及靈敏度溫度系數：1~3×10-4/℃·FS。

本芯片亦可供輪胎壓力傳感器及手持式數字輪胎壓力及配套使用。

結語(yǔ)

用MEMS硅體微機械加工技術(shù)制作成功輪胎壓力監測系統用的輪胎壓力傳感器芯片，采用硅―硅鍵合設計與相關(guān)工藝技術(shù)縮小芯片尺寸，降低單元成本，為T(mén)PMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)走出了第一步。