輪胎壓力傳感器敏感元件的設計與研制

輪胎壓力傳感器敏感元件的設計與研制
昆山雙橋傳感器測控技術有限公司
摘要：
美國的NHTSA已出臺的TREAD法規引起新一輪汽車壓力傳感器應用高潮和TPMS產品的開發熱潮。為了該產品的國產品種開發設計，我們研制出了一種輪胎壓力傳感器芯片，它是采用基于MEMS技術的硅體微機械加工技術制造的，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用化要求。
前言:
新世紀伊始，由于凡世通輪胎（Fire-tone）的質量問題，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。據統計，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。
輪胎質量專家認為，“保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵?！碑斍笆⑿械牡统杀镜氖謭淌綌底痔河嫴荒鼙ＷC及時發現車胎漏氣，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測傳感器和射頻發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，即構成一個輪胎壓力器測系統，即TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，它也可以直稱為胎壓監測傳感器（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邦法令，促成了燃油自動噴射系統的普及及第一次汽車傳感器應用的高潮。2002年NHTSA的又一聯邦法案，規定美國汽車從2003~2006年，每年分別以15%，35%，65%，100%的比例裝配TPMS系統 ，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
車胎獨特的工作環境條件，決定了胎壓實時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用總精度要求，低功耗要求，無線信號傳輸要求，耐惡劣環境要求和低成本要求。
摩托羅拉（Motorola）公司是TPMS系統的積極開發者，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射單元，它是一個8位單片機和UHF發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測單元，配有一個能完成控制、測量、信號補償與調整及發射的專用CMOS大規模集成電路。將兩個芯片封裝在一個標準的14腳SOIC封裝中，即構成其TPMS，型號為NPXC01746，由于采用了喚醒瞬態工作模式，其功耗僅9.7微安秒，可滿足電池十年的工作壽命，由于采用了數字補償功能，在-40℃~+125℃，電池電壓2.1V~3.0V范圍內，測壓精度優于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，產生更多型號的TPMS產品。
挪威的SensoNor公司專業制造基于壓阻壓力的專用集成傳感器，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
為開發輪胎壓力傳感器，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全橋。電阻條寬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良的熱膨漲系統匹配，因而更有利于產品的熱穩定性和時間穩定性。采用這一設計工藝技術的另一重大優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。
本壓力芯片的研制已經完成，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：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
用MEMS硅體微機械加工技術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―硅鍵合設計與相關工藝技術縮小芯片尺寸，降低單元成本，為TPMS產品開發走出了第一步。