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-Speed Based TPMS，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-Sensor Based TPMS，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
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-Speed Based TPMS，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-Sensor Based TPMS，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100 km/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。
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100 km/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
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(Tire Rressure Monitoring System)。目前直接轮胎压力监测系统包括4
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(Tire Rressure Monitoring System)。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Bonneville SE，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 Chrysler 300M 与 Concorde Limited 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。
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1 E型芯片剖视与底视图
图2 芯片电桥工艺版图
5 to 100 kPa 100 to 1000 kPa 3000 to 5000 kPa
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
轮胎寿命 固特异 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。
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。
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：
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。
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