浅谈轮胎压力传感器的设计与研制

　　前言

　　新世纪伊始，随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重视，并开始发展起来。美国现有公路总里程和高速公路里程长，已经形成了约 6.9万公里的州际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的一部分。西欧各国和日本，公路网基础好，高速公路也逐步成网，公路运输一直为内陆运输的主力。作为发展中国家，中国高速公路通车总里程去年跃居世界第二位，目前总里程为２万公里，但因幅员辽阔，高速公路网的平均密度很低，路况相对来说也比较差。 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。

　　汽车在高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶者为担心和难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。根据美国汽车工程师学会的调查，在美国每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，另外，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。据国家橡胶轮胎质量监督中心的分析，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80%。怎样保持车胎气压在工作条件苛刻恶劣环境中，能行驶正常并及时发现车胎漏气，是汽车防止爆胎和能否安全行驶的关键。因此，行进中的胎压检测就显得尤为重要。

　　随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重视，并开始发展起来。美国现有公路总里程和高速公路里程长，已经形成了约 6.9万公里的州际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的一部分。西欧各国和日本，公路网基础好，高速公路也逐步成网，公路运输一直为内陆运输的主力。作为发展中国家，中国高速公路通车总里程去年跃居世界第二位，目前总里程为２万公里，但因幅员辽阔，高速公路网的平均密度很低，路况相对来说也比较差。

　　轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitor System，TPMS），通过采用无线射频通信的胎压传感单元和胎压监测单元，实现了对轮胎压力的实时监控。

　　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

　　本项目产品是依据汽车胎压国际标准，结合国内用户提出的产品使用要求，按照电子标准化所和北京市技术监督局审订的相关产品标准，通过航天部304所型式实验检测后，各项性能指标均符合设计使用指标要求。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，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。

　　MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

　　近年为通用电器公司收购的着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，因而在一个四英寸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。

　　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。

　　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产品开发走出了步。