轮胎压力传感器.docx

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轮胎压力传感器

轮胎压力传感器

TPMS是什么?

TPMS（轮胎压力监测系统）的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。

目前，轮胎压力监测系统主要分为两种类型：

一种为间接式（Wheel-SpeedBasedTPMS，简称WSB），这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的。

ABS通过轮速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。

当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这就会导致车速发生变化，这种变化即可用于触发警报系统来向司机发出警告。

另一种是直接式（Pressure-SensorBasedTPMS，简称PSB），这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。

当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。

这两种系统各有优劣。

直接系统可以提供更高级的功能，随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。

间接系统造价相对较低，已经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。

但是，间接系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂，在某些情况下该系统会无法正常工作，例如同一车轴的2个轮胎气压都低时。

还有一种复合式TPMS，它兼有上述两个系统的优点，它在两个互相成对角的轮胎内装备直接传感器，并装备一个4轮间接系统。

与全部使用直接系统相比，这种复合式系统可以降低成本，克服间接系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。

但是，它仍然不能像直接系统那样提供所有4个轮胎内实际压力的实时数据。

现在的轮胎压力监测系统还是存在着不少需要完善改进的地方。

对于间接系统来说，同轴或2个以上轮胎缺气的情况无法显示；车速100km/h以上时监测失效。

而对于直接系统，无线信号传输的稳定性和可靠性、传感器的使用寿命、报警提示的准确性（有无误报、错报）以及传感器的耐压性等都是亟待提高的。

目前已安装轮胎压力监测系统的有奥迪、宝马、奔驰、法拉利、保时捷和大众等的部分车型，可以说TPMS现在还属于比较高端的产品，离大众化和普及化还有很长的距离。

据统计，在2004年的美国，登记在册的35％的新车都安装了TPMS，预计2005年将达到60%。

在高度重视汽车安全性的未来，轮胎压力监测系统早晚会成为所有汽车上的标准配置，就像ABS从出现到普及一样，需要一个过程。

汽车轮胎压力传感器芯片与应用

  摘要：

运用硅平面工艺和MEMS微机械加工工艺技术，设计采用了单岛膜结构及其数学模型，开发汽车轮胎压力监测专用传感器IC芯片，用于TPMS系统；本文提出了汽车轮胎压力传感器芯片新的设计数学模型、方法和结构，测试分析其参数性能指标，经过结构转化及应用研究表明拓展功能和应用范围的必要性和可行性。

     关键词：

MEMS；单岛膜结构；数学模型；轮胎压力

     前言

      汽车在高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶者最为担心和最难预防的，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专家分析，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。

      汽车轮胎压力传感器IC芯片的目标产品为MEMS技术和集成电路技术相结合的车载轮胎压力监视系统TPMS（TireRressureMonitoringSystem）。

目前直接轮胎压力监测系统包括4个或5个（取决于备胎是否装备传感器）轮胎模块和一个中央接收器模块。

在德国宝马的Z8，法国雪铁龙的C5，英国阿斯顿·马汀的超级跑车Vanquish，林肯大陆，旁蒂克的旗舰BonnevilleSE，梅赛德斯—奔驰S级轿车等新车介绍中，也将TPMS系统配装于车中，另外，2002年夏天上市的克莱斯勒与道奇（Dodge）迷你箱型车以及Chrysler300M与ConcordeLimited客车也装有TPMS系统。

而国内多数汽车厂家目前正在进行实验性研究。

      本文是基于国家创新基金项目实施工作要求，重点描述运用MEMS微机械加工工艺技术设计、加工、生产胎压传感器IC芯片，即通过微机械加工工艺制作出低成本各参数指标和使用性能可与国外同类产品竞争的胎压传感器IC芯片，为国内诸多TPMS厂商配套，逐步已优越的性价比为国际厂商提供芯片。

图1E型芯片剖视与底视图

图2芯片电桥工艺版图

5to100kPa    100to1000kPa  3000to5000kPa

图3按不同量程设计的芯片工艺版图

图4工艺流程示意图

      结构原理

      芯片设计采用了单岛膜结构，下图为产品的单岛膜结构（又称为E型硅杯结构）的剖视和底视示意图。

相当于一个周边固支的平膜片结构（俗称C型结构）的膜片中心有一个厚硬心岛。

通过计算和实验，芯片的抗过载和抗振动能力，同时也扩大并提高量程品种及延长使用寿命，E型硅杯原理结构如图1、2所示。

      在产品技术设计上兼顾了传感器参数指标的通用性，便于芯片应用拓展至汽车发动机电喷系统的歧管压力传感器（芯片电桥工艺版图见图2）。

避免造成其参数的非专业性配套，其温度系数偏高、过载能力低、灵敏度参数分散等问题；芯片的衬底浓度远大于103，使电桥电阻值高，降低功耗，延长供电电池使用寿命。

      根据设计计算，得出芯片版图设计E型硅杯结构为2.4×2.4mm，大膜半径R为0.8mm，中心岛半径ro为0.4mm，电阻条宽度为4mm，长度为80mm，设计为20个方电阻，电阻形状为单条形，为减小端头影响及误差，电阻用淡硼掺杂形成、方电阻250欧，端头用浓硼短路、方电阻为10欧，实用光刻版还应考虑到组桥时浓硼引出附加电阻的对准性对平衡的影响等版图设计技巧。

      数学模型与分析

      半径为R的同平膜片的中心最大挠度为：

      而中心岛半径ro与全膜半径R的比值为C的单岛膜中心最大挠度为：

      当C值为0.5时（常用设计）、单岛膜结构中心最大位移仅为平膜的四分之一。

      当E型膜片的大膜内切半径为R，硬心岛外切半径为ro时，其薄膜上表面的径向和切向应力为：

      在

处和r=R处，

和

取得最大值，其值大小相等，符号相反，即：

，是平膜边缘应力的

倍。

      从式中看出，应力

和

均近似对称，当C=0.5时，这种对称性更好，

的对称点，即

=0点在r≈0.76R处，但

=0的点却在r≈0.85R处，因此采用这种方案时电阻径向分布尺寸不宜超过1/10R。

     实现工艺要点

      工艺版图设计

      当加大并加厚芯片尺寸，可实现芯片量程拓展，芯片为一个固边固支的方形平膜片，具有3~10倍的过载能力，图3为按不同量程设计的芯片工艺版图。

      主要解决的工艺技术问题：

①高质量的硅-硅真空键合工艺；

②均匀和高合格率的减薄工艺；

③高准确度高均匀的掺杂一致性及细长电阻条一致性控制以确保传感器的低温度漂移；

④内应力匹配消除技术以确保传感器的时间稳定性；

⑤相应的抗电磁干扰设计；

⑥封装设计与工艺中的抗高振动及离心加速度措施；

      工艺流程示意图见图4。

      指标测试

      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。

      应用拓展与延伸

      结合MEMS工艺特点，兼顾传感器后封装生产工艺设备的通用，在芯片结构设计上，考虑到满足不同产品的对芯片的结构、参数要求，按照芯片尺寸与工艺版图的最低要求和分类原则，结构设计分为三种芯片类型，大大减少了芯片品种，扩大了芯片的应用领域。

      结语

      运用MEMS工艺技术生产汽车轮胎压力传感器，具有体积小、重量轻、耗能低、性能稳定，而且有利于大批量生产，降低生产成本，提高产品附加值。

同时，拓宽了产品应用范围，提高芯片推广价值和产品的经济效益。

      汽车轮胎压力传感器芯片开发，对于降低高速行驶的汽车因爆胎引发的突发性重大、恶性交通事故，确保高速公路安全畅通，避免人身伤害和家庭悲剧发生，以及整个国家社会的长治久安和整个国民经济发展均具有重要的社会现实意义。

图5产品实物照片

参考文献：

1．赵志诚、刘凯、郑浩，传感器技术和产品发展的重点，仪表技术与传感器,2005,3.1.

2．刘迎春、叶湘滨，传感器原理设计与应用，国防大学出版社，2004.

3．焦正等，日本基于MEMS传感器的研究进展，传感器世界，2004.（01）

4．刘光辉、亢春梅等，MEMS技术的现状和发展趋势，传感器技术，2001（01）

5．徐惠宇、朱荻，国外高深宽比微细结构制造技术的发展，传感器技术，2004,（23）12:

4-6.

6．田中群、孙建军，微系统与电化学，电化学,2000,（6）1:

1-9.

7．郁有文、常健、程继红，传感器原理及工程应用，西安电子科技大学出版社,2003

8．甘学温，数字CMOSVLSI分析与设计基础，北京大学出版社，1999

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轮胎压力传感器的应用

新世纪伊始，由于凡世通轮胎（Fire-tone）的质量问题，大量的爆胎和翻车事故造成了超过100人的死亡和400人的受伤，引起了汽车业界和美国政府的关注。

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。

   轮胎质量专家认为，“保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。

”当前盛行的低成本的手执式数字胎压计不能保证及时发现车胎漏气，目前用于200多万辆通用和福特公司汽车上的间接测量技术——用防抢死刹车轮胎速度传感器来测量比较每一个轮胎转速，从而推断出轮胎的压力是否不足的方法实在是既麻烦又不准确。

   在每一个车胎中安装上胎压监测传感器和射频发射器的智能轮胎正在引起极大的关注，智能轮胎与汽车仪表盘上一个接受器及显示器配合，即构成一个轮胎压力器测系统，即TPMS（TirePressureMonitoringSystem），它也可以直称为胎压监测传感器（TirePressureMonitoringSensor）.

   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第一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

   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精度要求，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，具有低功耗和全集成的特点。

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，采用MC33594作为接收单元。

   近年为通用电器公司收购的著名传感器厂商诺瓦传感器公司（GENovaSensor）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，测压精度优于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公司专业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TRWAutomotive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绝对压力传感器，它是一种基于MEMS硅体微机械加工技术的微型压阻绝对压力传感器，敏感元件为?

D集成惠斯顿全桥，图1为其敏感元件的俯视图，图2为其割面示意面图，其力薄膜的尺寸为620×620um，厚度为40um。

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绝对压力传感器的真空参考腔。

它比之用硅－pyrex玻璃阳极键合形成绝对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?

D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?

嫉墓柙财?

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?

D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，即使将这一设计的量程下延至汽车用MAP和AAP绝对压力传感器的量程，采用SmartCut技术或外延片电化学选择腐蚀技术亦不难获得15~20um厚的硅薄膜。

   本压力敏感芯片的主要工艺制作流程如下：

（略）

   本压力芯片的研制已经完成，用本芯片封装的压力传感器的基本性能如下：

（略）

   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。

   本芯片亦可供轮胎压力传感器及手持式数字轮胎压力及配套使用。

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?

D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产品开发走出了第一步。

NPP硅压力传感器

NovaSensor 公司的 NPP系列,是表面安装的硅压力传感器,其采用硅-硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内。

 NPP系列采用了集成电路的引脚结构,可安装在狭小的场合,因而给予大批量的OEM用户提供了一种廉价的产品。

 NPP系列在恒压供电下，产生一个与输入压力成正比的电压信号，用户可通过信号调节电路对其进行放大或增加其附加值以达到自身产品的需求。

 NPP系列用于大多数非腐蚀性气体和干燥空气的测量。

 特点 超小体积、超低成本 表面安装（SO-8）结构，适用于自动化元件贴装 工作温度：

-40℃~125℃ 静态精度＜±0.2%FSO 可提供100、200和700Kpa的绝压量程 应用 汽车轮胎压力检测 医疗设备 空调设备 电缆泄露检测 压力开关和控制器 便携式气压计、高度计 消费用仪器 

NovaSensor 公司的 NPP系列,是表面安装的硅压力传感器,其采用硅-硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内。

 NPP系列采用了集成电路的引脚结构,可安装在狭小的场合,因而给予大批量的OEM用户提供了一种廉价的产品。

 NPP系列在恒压供电下，产生一个与输入压力成正比的电压信号，用户可通过信号调节电路对其进行放大或增加其附加值以达到自身产品的需求。

 NPP系列用于大多数非腐蚀性气体和干燥空气的测量。

 特点 超小体积、超低成本 表面安装（SO-8）结构，适用于自动化元件贴装 工作温度：

-40℃~125℃ 静态精度＜±0.2%FSO 可提供100、200和700Kpa的绝压量程 应用 汽车轮胎压力检测 医疗设备 空调设备 电缆泄露检测 压力开关和控制器 便携式气压计、高度计 消费用仪器 工作原理图 性能指标 特性 参数 单位 备注 压力范围 0~100 kPa ≈15Psi 0~200 kPa ≈30Psi 0~700 kPa ≈100Psi 过 载 3X 额定压力 电气性能（25℃） 供 电 3.0 V 最大10V.DC 输入阻抗 5000±20% Ω 输出阻抗 5000±20% Ω 环境条件 静电损害（ESD） ＞10 kv 工作温度 -40~125 ℃ 物理特性 重 量 ≈0.10 g 兼容介质 洁净、干燥、无腐蚀性气体 技术指标（所有测试值相对22℃是、3V恒压供电） 零点输出 ±10 mV 满度输出 60±20 mV 线性度 ±0.20 %FSO 迟滞和重复性 ±0.10 %FSO 零点温度系数 ±0.04 %FSO/℃ 电阻温度系数 0.30 %/℃ 灵敏度温度系数 -0.20vv %FSO/℃ 零点热迟滞 ±0.10 %FSO 长期稳定性 ±0.20 %FSO 外型尺寸 单位：

mm（in） 选型 系列 量程 封装类型 NPP-301-100A 100kPa（15Psi） SO-8 NPP-301-200A 200kPa（30Psi） SO-8 NPP-301-700A 700kPa（100Psi） SO-8 注：

 1、本系列只有提供绝压型式 2、对于OEM用户，在保证数量和应用的前提下可根据用户要求订制产品。

轮胎压力传感器使用报告---轮胎温度/压力与行使速度的关系实测

车型JETTAGT

轮胎：

YOKOHAMAES100195/50/15

前轴重685KG后轴重454KG（今年2月检测场数据）注：

无备胎

轮胎数据顺序：

左前，右前，右后，左后

下午17：

43下班启动时轮胎气压及温度2.07/162.05/161.91/151.89/16室外温度16度

17：

55行使2KM，轮胎气压及温度2.09/192.07/191.96/171.94/18

停车50分钟

18：

38—19：

45行使6.5KM轮胎气压及温度2.14/192.09/181.99/171.94/18

堵车10分钟

18：

56—19：

01行使4.5KM轮胎气压及温度2.19/252.19/262.04/212.01/23

19：

01---19：

11行使4.2KM轮胎气压及温度2.24/282.17/282.07/242.01/25室外温度14

到家

轮胎温度从启动时的平均16度，升高到最后的28度，温度差12度。

轮胎气压从2.05升高至2.17。

从这个数据上看，与资料上的10度对应0.12气压基本一样，看来这个TPMS还是比较准确的。

轮胎气压随温度变化，轮胎温度的变化与载荷、轮胎倾角、行使速度有关。

我想说明一下左右前轮到后来的气压差为什么这么大。

这个主要是因为我的左前轮外倾角大于-30分（向外撇），这样正好导致前轴重量向左前轮倾斜，造成行使中左前轮负荷大于右前轮，所以左前轮气压在行使速度不断提高的情况下也随之提高。

后来证明这个推测是对的，已经发现左前轮内侧过渡磨损的痕迹了。

那个右前轮在18：

56—19：

01之间气压突然与左前轮持平，这个结果不是由于TPMS系统误差导致的。

常走京承高速回天通苑的DX比较熟悉，从京承上五环的地方有一个比较长的上坡左转，我在这个弯道上一直保持70KM时速，造成右前及右后轮负荷过重，导致两个轮胎的压力明显增加。

所以在赛车领域，TPMS系统是被普遍使用的，可以根据跑完几圈后读取轮胎温度，来衡量车辆重量分配是否合理。

更高级些的，像F1赛车更是采用时时监控，随时了解轮胎压力和温度。

以此类推，如果后坐满载，势必造成后轮负荷增大。

所以油箱盖上的后轮空载与满载气压是不同的。

为了减小满载对轮胎的过渡压力，必须对轮胎多充气进行保护。

但是平常使用时的高压力又会降低舒适性。

所以选择合适的胎压很重要。

后期还要进行的测试：

1.持续急加速与急减速对轮胎温度及压力的影响；2.车辆满载状态下的胎压变化。