前言

　　新世紀伊始，隨著工業(yè)經(jīng)濟的進步，汽車開始大量使用，公路和高速公路也日漸得到重視，并開始發(fā)展起來。美國現(xiàn)有公路總里程和高速公路里程長，已經(jīng)形成了約 6.9萬公里的州際高速公路網(wǎng)，公路已成為美國人日常生活必不可少的一部分。西歐各國和日本，公路網(wǎng)基礎(chǔ)好，高速公路也逐步成網(wǎng)，公路運輸一直為內(nèi)陸運輸?shù)闹髁?。作為發(fā)展中國家，中國高速公路通車總里程去年躍居世界第二位，目前總里程為２萬公里，但因幅員遼闊，高速公路網(wǎng)的平均密度很低，路況相對來說也比較差。 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。

　　汽車在高速行駛過程中，輪胎故障是駕駛者為擔心和難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。根據(jù)美國汽車工程師學會的調(diào)查，在美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的分析，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%。怎樣保持車胎氣壓在工作條件苛刻惡劣環(huán)境中，能行駛正常并及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣，是汽車防止爆胎和能否安全行駛的關(guān)鍵。因此，行進中的胎壓檢測就顯得尤為重要。

　　隨著工業(yè)經(jīng)濟的進步，汽車開始大量使用，公路和高速公路也日漸得到重視，并開始發(fā)展起來。美國現(xiàn)有公路總里程和高速公路里程長，已經(jīng)形成了約 6.9萬公里的州際高速公路網(wǎng)，公路已成為美國人日常生活必不可少的一部分。西歐各國和日本，公路網(wǎng)基礎(chǔ)好，高速公路也逐步成網(wǎng)，公路運輸一直為內(nèi)陸運輸?shù)闹髁?。作為發(fā)展中國家，中國高速公路通車總里程去年躍居世界第二位，目前總里程為２萬公里，但因幅員遼闊，高速公路網(wǎng)的平均密度很低，路況相對來說也比較差。

　　輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitor System，TPMS），通過采用無線射頻通信的胎壓傳感單元和胎壓監(jiān)測單元，實現(xiàn)了對輪胎壓力的實時監(jiān)控。

　　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)的普及及次汽車傳感器應(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(yīng)用的高潮。

　　輪胎壓力傳感器

　　本項目產(chǎn)品是依據(jù)汽車胎壓國際標準，結(jié)合國內(nèi)用戶提出的產(chǎn)品使用要求，按照電子標準化所和北京市技術(shù)監(jiān)督局審訂的相關(guān)產(chǎn)品標準，通過航天部304所型式實驗檢測后，各項性能指標均符合設(shè)計使用指標要求。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(shù)的硅集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，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。

　　MEMS是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學等領(lǐng)域，從而進行生物化學等實驗室技術(shù)流程的芯片集成化。

　　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(shù)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(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(shè)計與開發(fā)

　　為開發(fā)輪胎壓力傳感器，我們設(shè)計和研制出了一種適用的壓力傳感器，它是一種基于MEMS硅體微機械加工技術(shù)的微型壓阻壓力傳感器，敏感元件為―集成惠斯頓全橋。力敏電阻按常規(guī)設(shè)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(yīng)變?nèi)珮?。電阻條寬8um，全長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確度以保證零位和靈敏度的穩(wěn)定性，電阻設(shè)計的阻抗為5KΩ，采用硅硅鍵合技術(shù)形成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(shè)計工藝技術(shù)的另一重大優(yōu)點是可以大大縮小單元芯片尺寸，本設(shè)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(shè)計的單元芯片尺寸一般為1.5×1.5mm至2.2×2.2mm，因而在一個四英寸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(shè)計有利于降低單元制作成本。當然，采用這一設(shè)計的前提是掌握好硅―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，采用精密機械減薄或各向同性腐蝕技術(shù)都不難達到設(shè)計的要求。

　　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。

　　結(jié)語

　　用MEMS硅體微機械加工技術(shù)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(shè)計與相關(guān)工藝技術(shù)縮小芯片尺寸，降低單元成本，為TPMS產(chǎn)品開發(fā)走出了步。