轮胎压力传感器系统TPMS的设计与研制

　　摘要：美国的NHTSA已出台的TREAD法规引起新一轮汽车压力传感器应用高潮和TPMS产品的开发热潮。为了该产品的国产品种开发设计，我们研制出了一种轮胎压力传感器芯片，它是采用基于MEMS技术的硅体微机械加工技术制造的，采用硅—硅真空键合大大缩小单元尺寸，有利于降低成本。已研制成功的用这一芯片制造的压力传感器性能已达到了实用化要求。

　　前言:新世纪伊始，由于凡世通轮胎（Fire-tone）的质量问题，大量的爆胎和翻车事故造成了超过100人的死亡和400人的受伤，引起了汽车业界和美国政府的关注。该公司不得不于次年8月召回了650万只轮胎。据统计，美国每年有26万例交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，占交通事故的75%。而中国高速公路上交通事故的70%是由于爆胎引起的。

　　轮胎质量专家认为，“保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。”当前盛行的低成本的手执式数字胎压计不能保证及时发现车胎漏气，目前用于200多万辆通用和福特公司汽车上的间接测量技术——用防抢死刹车轮胎速度传感器来测量比较每一个轮胎转速，从而推断出轮胎的压力是否不足的方法实在是既麻烦又不准确。

　　在每一个车胎中安装上胎压监测传感器和射频发射器的智能轮胎正在引起极大的关注，智能轮胎与汽车仪表盘上一个接受器及显示器配合，即构成一个轮胎压力器测系统，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直称为胎压监测传感器（Tire Pressure Monitoring Sensor）。

　　美国国家公路安全管理局上世纪七十所代中期的强制性联邦法令，促成了燃油自动喷射系统的普及及第一次汽车传感器应用的高潮。2002年NHTSA的又一联邦法案，规定美国汽车从2003~2006年，每年分别以15%，35%，65%，100%的比例装配TPMS系统 ，这将掀起新一轮汽车压力传感器应用的高潮。

　　轮胎压力传感器

　　车胎独特的工作环境条件，决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求，要求宽温区，宽电源电压范围内较高的实用总精度要求，低功耗要求，无线信号传输要求，耐恶劣环境要求和低成本要求。

　　摩托罗拉（Motorola）公司是TPMS系统的积极开发者，它采用基于MEMS技术的硅集成电容式压力传感器MPXY8020A作为胎压检测单元，具有低功耗和全集成的特点。采用32针封装的MC68HC908RF2作为信号控制处理与发射单元，它是一个8位单片机和UHF发射器集成在一起的器件，采用MC33594作为接收单元。

　　近年为通用电器公司收购的著名传感器厂商诺瓦传感器公司（GE NovaSensor）是另一个积极开发者，它采用了基于MEMS技术的硅压阻式压力传感器作为胎压监测单元，配有一个能完成控制、测量、信号补偿与调整及发射的专用CMOS大规模集成电路。将两个芯片封装在一个标准的14脚SOIC封装中，即构成其TPMS，型号为NPXC01746，由于采用了唤醒瞬态工作模式，其功耗仅9.7微安秒，可满足电池十年的工作寿命，由于采用了数字补偿功能，在-40℃~+125℃，电池电压2.1V~3.0V范围内，测压精度优于1.5%FS，Nova模式的更大意义在于它可以采用现有的ASIC与任何一种集成惠斯顿全桥压阻压力传感器复合集成，产生更多型号的TPMS产品。

　　挪威的SensoNor公司专业制造基于压阻压力的专用集成传感器，由轮胎压力监测系统供应商如TRW Automotive公司、SmarTire公司配套制作成TPMS,SensoNor的压阻式轮胎传感器与SmarTire的射频发生器组合成功的TPMS已为西门子VDO汽车配件公司和美国固特异轮胎公司（Goodyear）采用。

　　轮胎压力传感器力敏芯片的设计与开发

　　为开发轮胎压力传感器，我们设计和研制出了一种适用的绝对压力传感器，它是一种基于MEMS硅体微机械加工技术的微型压阻绝对压力传感器，敏感元件为―集成惠斯顿全桥。力敏电阻按常规设计分布在正方形硅薄膜的四边边缘中心点，按〈110〉晶向排列，一对呈纵向布局，一对呈切向布局，从而形成惠斯顿应变全桥。电阻条宽8um，全长60um,平均有效应力可以保证20mV／V 的输出灵敏度。电阻采用离子注入掺杂形成，有优良的均匀性和掺杂准确度以保证零位和灵敏度的稳定性，电阻设计的阻抗为5KΩ，采用硅硅键合技术形成绝对压力传感器的真空参考腔。它比之用硅－pyrex玻璃阳极键合形成绝对压力参考腔有更优良的热膨涨系统匹配，因而更有利于产品的热稳定性和时间稳定性。采用这一设计工艺技术的另一重大优点是可以大大缩小单元芯片尺寸，本设计的单元芯片尺寸为1mm×1mm，在1个四英硅圆片上可制作七千余个力敏感元件单元，而采用硅―玻璃键合设计的单元芯片尺寸一般为1.5×1.5mm至2.2×2.2mm，因而在一个四英吋的硅圆片上可制的压力敏感元件单元分别为3400个和1600个，显而易见，我们的设计有利于降低单元制作成本。当然，采用这一设计的前提是掌握好硅―硅键合技术及薄硅膜片制作技术。鉴于轮胎压力传感器的量程较大，硅膜片较厚，采用精密机械减薄或各向同性腐蚀技术都不难达到设计的要求，即使将这一设计的量程下延至汽车用MAP和AAP绝对压力传感器的量程，采用Smart Cut 技术或外延片电化学选择腐蚀技术亦不难获得15~20um厚的硅薄膜。

　　非线性：0.05~0.1%FS；

　　迟滞与重复性：0.03%FS；

　　输出灵敏度：10~20mV／V；

　　量程：700Kpa；

　　过载能力：300%；

　　零点及灵敏度温度系数：1~3×10-4/℃·FS。

　　本芯片亦可供轮胎压力传感器及手持式数字轮胎压力及配套使用。

　　结语

　　用MEMS硅体微机械加工技术制作成功轮胎压力监测系统用的轮胎压力传感器芯片，采用硅―硅键合设计与相关工艺技术缩小芯片尺寸，降低单元成本，为TPMS产品开发走出了第一步。