車用TPMS專用傳感器技術剖析
電子元件技術
摘要： TPMS是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)。
Abstract：
Key words :
TPMS是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統(tǒng)。
在歐美等發(fā)達國家由于TPMS已是汽車的標配產(chǎn)品，因而TPMS無論在產(chǎn)品品種還是在生產(chǎn)產(chǎn)量方面都在急速增長，其所用MEMS芯片和IC芯片的技術發(fā)展進步很快，TPMS最終產(chǎn)品技術也因此而得到迅速發(fā)展。
TPMS的輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8位單片機（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。見圖1，圖2是成品的實物圖。外殼選用高強度ABS塑料。所有器件、材料都要滿足-40℃到+125℃的汽車級使用溫度范圍。
圖1TPMS發(fā)射器由五個部分組成
圖2TPMS的輪胎壓力監(jiān)測模塊成品的實物圖
智能傳感器是整合了硅顯微機械加工（MEMS）技術制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個包含溫度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘和模數(shù)轉換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、傳感器數(shù)據(jù)校準、數(shù)據(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)字信號處理ASIC芯片。具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路幾塊芯片，用集成電路工藝做在一個封裝里的（圖3）。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔（圖4），將壓力直接導入在壓力傳感器的應力薄膜上（圖5），同時這個孔還將環(huán)境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。
MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應力硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術直接將四個高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路的，將壓力這個物理量直接變換成電量,其測量精度能達0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖5所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，其應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。
為了便于TPMS接收器的識別，每個壓力傳感器都具有32位獨特的ID碼，它可產(chǎn)生4億個不重復的號碼。
圖3壓力、加速度與ASIC/MCU組合封裝在一個包裝內(nèi)
圖4壓力/溫度導入孔
圖5硅壓阻式壓力傳感器結構
圖6加速度傳感器平面結構圖
圖7加速度傳感器切面結構圖
同樣，加速度傳感器也是用MEMS技術制作的，圖6是MEMS加速度傳感器平面結構圖，圖7是加速度傳感器切面結構圖，圖中間是一塊用MEMS技術制作的、可隨運動力而上下可自由擺動的硅島質(zhì)量塊，在其與周邊固置硅連接的硅樑上刻制有一應變片，與另外三個刻制在固置硅上的應變片組成一個惠斯頓測量電橋，只要質(zhì)量塊隨加速度力擺動，惠斯頓測量電橋的平衡即被破壞，惠斯頓測量電橋就輸出一個與力大小成線性的變化電壓△V。壓力傳感器、加速度傳感器、ASIC/MCU是三個分別獨立的裸芯片，它們通過芯片的集成廠商整合在一個封裝的單元里，如圖8美國GE公司NPX2，圖9是去掉封裝材料后能清晰地看到這三個裸芯片，三個芯片之間的聯(lián)接、匹配也都做在其中了。
圖8美國GE公司NPX2
圖9是去掉封裝材料后
加速度傳感器可使發(fā)射模塊具有自動喚醒功能，SP12/30和NPX2系列的智能傳感器都包含了加速度傳感器，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車移動即時開機，進入系統(tǒng)自檢、自動喚醒，汽車高速行駛時按運動速度
自動智能確定檢測時間周期，用軟件設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預警能力、節(jié)省電能等功能。可以利用加速度傳感器+MCU+軟件設計完成喚醒的功能設定，不再需要用其它芯片，以免增加成本。
圖10SP30整合使用PHILPS的P2SC
圖11NPX2整合使用PHILPS的P2SC
智能傳感器模塊還整合了ASIC/MCU，NPX2和SP30都是使用PHILPS的P2SC的傳感器信號調(diào)理的ASIC芯片（圖10、圖11），在NPX2的電原理圖中能清晰地看到這個單元，它包括一個作運算處理控制的8位RISC單片機、用于安置系統(tǒng)固化程序的4KEROM或FLASH、用于存放客戶應用程序的4KROM、用于存儲傳感器校準參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128ByteEEPROM、RAM、定時調(diào)制器、中斷控制器、RC振蕩器，以及將來自傳感器信號進行放大的低噪音放大器LNA、繼而將傳感器信號轉化為數(shù)字信號的ADC、與外界聯(lián)系的I/O口、電源管理和看門狗、斷續(xù)定時器、1-3維的LF接口。
圖12TPMS傳感器模塊技術發(fā)展趨勢
TPMS傳感器模塊技術發(fā)展趨勢是將發(fā)射模塊向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展（圖12）。隨著TPMS產(chǎn)品市場對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如InfineonSP12/SP30、GENPX那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊，在未來幾年內(nèi)還會開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊，屆時胎壓力監(jiān)測發(fā)設器只有一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設計變得十分簡便。
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