Design and Fabrication of 4-beam Silicon-Micro Piezoresistive Accelerometer for TPMS Application

This paper presents the accelerometer which is a key component of TPMS(Tire Pressure Monitoring System). Generally a piezoresistive accelerometer has characteristics of lower cost, better linearity and better immunity about the environmnet noise than a capacitive one. Three types of piezoresistive accelerometers are degined and simulated using ANSYS program. The best one is a piezoresistive sensor which is supported by four beams located at the center of the edge of the mass after comparing the characteristics of resonant frequency of the three types. Considering the sensor size and a simulated maximum stress and maximum displacement, the length of beams is set as $200{\mu}m$. The size of a piezoresistive accelerometer is $3.0mm{\times}3.0mm{\times}0.4mm$. The sensor output is characterized by measuring the output characteristic depending on angle. As a result the offset voltage of the accelerometer is 43.2 mV and its sensitivity is $42.5{\mu}V/V/g$. The temperature bias drift is measured. The shock durability of the sensor is 1500g and the measuring range is 0 ~ 60 g.

TPMS용 4빔 실리콘 미세 압저항형 가속도센서의 설계 및 제작

본 논문은 자동차용 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)의 핵심 부품인 가속도센서에 관한 연구이다. 일반적으로 압저항형 가속도센서는 정전용량형 가속도센서에 비하여 제조 비용이 적고 출력 특성이 선형적이며 주변 잡음에 면역성이 강한 장점을 갖는다. 그래서 TPMS용으로 압저항형을 선택하였고, ANSYS 프로그램을 이용하여 3가지 타입의 구조를 설계하여 공진주파수 특성을 비교하여 가장 안정적인 구조인 질량체 가장자리의 가운데에 있는 4개의 빔에 의하여 지지되는 브릿지 타입의 실리콘압저항형 가속도센서를 선택하였다. 그리고 센서 크기를 고려하여 빔의 길이는 $200{\mu}m$로 정하였으며, 빔 길이에 따른 최대응력과 최대변위를 시뮬레이션하여 센서를 설계하였다. TPMS용 4 빔 실리콘 미세 압저항형 가속도센서의 크기는 $3.0mm{\times}3.0mm{\times}0.4mm$의 크기로 제작 되었다. 휠 각도에 따른 출력 특성과 온도 특성을 측정하여 센서의 특성을 분석 하였다. 그 결과 가속도센서의 옵셋 전압은 43.2 mV 이고 감도는 $42.5{\mu}V/V/g$ 이다. 센서의 특징으로 내충격성은 1500 g 이고, 측정 범위는 0 ~ 60 g, 사용온도는 $-40^{\circ}C{\sim}125^{\circ}C$ 를 갖는다.