輪胎壓力傳感器敏感元件的設(shè)計(jì)與研制
昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司
摘要：
美國(guó)的NHTSA已出臺(tái)的TREAD法規(guī)引起新一輪汽車(chē)壓力傳感器應(yīng)用高潮和TPMS產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)熱潮。為了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)品種開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，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(jī)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(dá)到了實(shí)用化要求。
前言:
新世紀(jì)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(guó)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(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)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(guó)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(rèn)為，“保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵?！碑?dāng)前盛行的低成本的手執(zhí)式數(shù)字胎壓計(jì)不能保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(cè)量技術(shù)——用防搶死剎車(chē)輪胎速度傳感器來(lái)測(cè)量比較每一個(gè)輪胎轉(zhuǎn)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(zhǔn)確。
在每一個(gè)車(chē)胎中安裝上胎壓監(jiān)測(cè)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(gòu)成一個(gè)輪胎壓力器測(cè)系統(tǒng)，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直稱(chēng)為胎壓監(jiān)測(cè)傳感器（Tire Pressure Monitoring Sensor）.
美國(guó)國(guó)家公路安全管理局上世紀(jì)七十所代中期的強(qiáng)制性聯(lián)邦法令，促成了燃油自動(dòng)噴射系統(tǒng)的普及及第一次汽車(chē)傳感器應(yīng)用的高潮。2002年NHTSA的又一聯(lián)邦法案，規(guī)定美國(guó)汽車(chē)從2003~2006年，每年分別以15%，35%，65%，100%的比例裝配TPMS系統(tǒng) ，這將掀起新一輪汽車(chē)壓力傳感器應(yīng)用的高潮。
輪胎壓力傳感器
車(chē)胎獨(dú)特的工作環(huán)境條件，決定了胎壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓力傳感器的高要求，要求寬溫區(qū)，寬電源電壓范圍內(nèi)較高的實(shí)用總精度要求，低功耗要求，無(wú)線信號(hào)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(tǒng)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(cè)單元，具有低功耗和全集成的特點(diǎn)。采用32針?lè)庋b的MC68HC908RF2作為信號(hào)控制處理與發(fā)射單元，它是一個(gè)8位單片機(jī)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(gòu)的著名傳感器廠商諾瓦傳感器公司（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(jiān)測(cè)單元，配有一個(gè)能完成控制、測(cè)量、信號(hào)補(bǔ)償與調(diào)整及發(fā)射的專(zhuān)用CMOS大規(guī)模集成電路。將兩個(gè)芯片封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的14腳SOIC封裝中，即構(gòu)成其TPMS，型號(hào)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(shù)字補(bǔ)償功能，在-40℃~+125℃，電池電壓2.1V~3.0V范圍內(nèi)，測(cè)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(xiàn)有的ASIC與任何一種集成惠斯頓全橋壓阻壓力傳感器復(fù)合集成，產(chǎn)生更多型號(hào)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)供應(yīng)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(guó)固特異輪胎公司（Goodyear）采用。
輪胎壓力傳感器力敏芯片的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
為開(kāi)發(fā)輪胎壓力傳感器，我們?cè)O(shè)計(jì)和研制出了一種適用的絕對(duì)壓力傳感器，它是一種基于MEMS硅體微機(jī)械加工技術(shù)的微型壓阻絕對(duì)壓力傳感器，敏感元件為―集成惠斯頓全橋，圖1為其敏感元件的俯視圖，圖2為其割面示意面圖，其力薄膜的尺寸為620×620um，厚度為40um。力敏電阻按常規(guī)設(shè)計(jì)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(duì)呈縱向布局，一對(duì)呈切向布局，從而形成惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮?。電阻條寬8um，全長(zhǎng)60um,平均有效應(yīng)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(zhǔn)確度以保證零位和靈敏度的穩(wěn)定性，電阻設(shè)計(jì)的阻抗為5KΩ，采用硅硅鍵合技術(shù)形成絕對(duì)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(duì)壓力參考腔有更優(yōu)良的熱膨漲系統(tǒng)匹配，因而更有利于產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。采用這一設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有利于降低單元制作成本。當(dāng)然，采用這一設(shè)計(jì)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(jī)械減薄或各向同性腐蝕技術(shù)都不難達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，即使將這一設(shè)計(jì)的量程下延至汽車(chē)用MAP和AAP絕對(duì)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。
本壓力芯片的研制已經(jīng)完成，用本芯片封裝的壓力傳感器的基本性能如下：
非線性：0.05~0.1%FS；遲滯與重復(fù)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(shù)：1~3×10-4 /℃·FS。
本芯片亦可供輪胎壓力傳感器及手持式數(shù)字輪胎壓力及配套使用。
結(jié)語(yǔ)
用MEMS硅體微機(jī)械加工技術(shù)制作成功輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用的輪胎壓力傳感器芯片，采用硅―硅鍵合設(shè)計(jì)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。