輪胎壓力傳感器的應用

　　新世紀伊始，由于凡世通輪胎（Fire-tone）的質(zhì)量問題，大量的爆胎和翻車事故造成了超過100人的死亡和400人的受傷，引起了汽車業(yè)界和美國政府的關注。該公司不得不于次年8月召回了650萬只輪胎。據(jù)統(tǒng)計，美國每年有26萬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)量專家認為，“保持標準的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。”當前盛行的低成本的手執(zhí)式數(shù)字胎壓計不能保證及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣，目前用于200多萬輛通用和福特公司汽車上的間接測量技術——用防搶死剎車輪胎速度傳感器來測量比較每一個輪胎轉(zhuǎn)速，從而推斷出輪胎的壓力是否不足的方法實在是既麻煩又不準確。
　　在每一個車胎中安裝上胎壓監(jiān)測傳感器和射頻發(fā)射器的智能輪胎正在引起極大的關注，智能輪胎與汽車儀表盤上一個接受器及顯示器配合，即構(gòu)成一個輪胎壓力器測系統(tǒng)，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直稱為胎壓監(jiān)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，促成了燃油自動噴射系統(tǒng)的普及及第一次汽車傳感器應用的高潮。2002年NHTSA的又一聯(lián)邦法案，規(guī)定美國汽車從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壓力傳感器應用的高潮。
輪胎壓力傳感器
　　車胎獨特的工作環(huán)境條件，決定了胎壓實時監(jiān)測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)較高的實用總精度要求，低功耗要求，無線信號傳輸要求，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(tǒng)的積極開發(fā)者，它采用基于MEMS技術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。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名傳感器廠商諾瓦傳感器公司（GE NovaSensor）是另一個積極開發(fā)者，它采用了基于MEMS技術的硅壓阻式壓力傳感器作為胎壓監(jiān)測單元，配有一個能完成控制、測量、信號補償與調(diào)整及發(fā)射的專用CMOS大規(guī)模集成電路。將兩個芯片封裝在一個標準的14腳SOIC封裝中，即構(gòu)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，可滿足電池十年的工作壽命，由于采用了數(shù)字補償功能，在-40℃~+125℃，電池電壓　　　2.1V~3.0V范圍內(nèi)，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(xiàn)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公司專業(yè)制造基于壓阻壓力的專用集成傳感器，由輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)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已為西門子VDO汽車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發(fā)
　　為開發(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的微型壓阻絕對壓力傳感器，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)設計分布在正方形硅薄膜的四邊邊緣中心點，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?nèi)珮颉ｋ娮钘l寬8um，全長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(wěn)定性，電阻設計的阻抗為5KΩ，采用硅硅鍵合技術形成絕對壓力傳感器的真空參考腔。它比之用硅－pyrex玻璃陽極鍵合形成絕對壓力參考腔有更優(yōu)良的熱膨漲系統(tǒng)匹配，因而更有利于產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。采用這一設計工藝技術的另一重大優(yōu)點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個四英硅圓片上可制作七千余個力敏感元件單元，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，因而在一個四英吋的硅圓片上可制的壓力敏感元件單元分別為3400個和1600個，顯而易見，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―硅鍵合技術及薄硅膜片制作技術。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用MAP和AAP絕對壓力傳感器的量程，采用Smart Cut 技術或外延片電化學選擇腐蝕技術亦不難獲得15~20um厚的硅薄膜。
　　本壓力敏感芯片的主要工藝制作流程如下：(略）
　　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：(略）
　　非線性：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；過載能力：300%；　　零點及靈敏度溫度系數(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
　　用MEMS硅體微機械加工技術制作成功輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)用的輪胎壓力傳感器芯片，采用硅―硅鍵合設計與相關工藝技術縮小芯片尺寸，降低單元成本，為TPMS產(chǎn)品開發(fā)走出了第一步。