車(chē)用TPMS專用傳感器技術(shù)剖析
電子元件技術(shù)
摘要： TPMS是汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫(xiě)，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警,，以保障行車(chē)安全,，是駕車(chē)者,、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng),。
Abstract：
Key words :
TPMS是汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫(xiě),，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警,，以保障行車(chē)安全,，是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng),。
在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家由于TPMS已是汽車(chē)的標(biāo)配產(chǎn)品,，因而TPMS無(wú)論在產(chǎn)品品種還是在生產(chǎn)產(chǎn)量方面都在急速增長(zhǎng),，其所用MEMS芯片和IC芯片的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步很快，TPMS最終產(chǎn)品技術(shù)也因此而得到迅速發(fā)展,。
TPMS的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成：（1）具有壓力,、溫度、加速度,、電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC,；（2）4-8位單片機(jī)（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片,；（4）鋰亞電池,；（5）天線。見(jiàn)圖1,，圖2是成品的實(shí)物圖,。外殼選用高強(qiáng)度ABS塑料。所有器件,、材料都要滿足-40℃到+125℃的汽車(chē)級(jí)使用溫度范圍,。
圖1TPMS發(fā)射器由五個(gè)部分組成
圖2TPMS的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊成品的實(shí)物圖
智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個(gè)包含溫度傳感器,、電池電壓檢測(cè),、內(nèi)部時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）,、SPI口,、傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理,、ID碼等功能的數(shù)字信號(hào)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(jìn)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(gè)封裝里的（圖3）。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔（圖4）,，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上（圖5）,，同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)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(yīng)力硅薄膜內(nèi)壁,，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處,，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路的,，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量,其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03%FS,。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，上下二層是玻璃體,，中間是硅片,，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔,，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。
為了便于TPMS接收器的識(shí)別,，每個(gè)壓力傳感器都具有32位獨(dú)特的ID碼,，它可產(chǎn)生4億個(gè)不重復(fù)的號(hào)碼。
圖3壓力,、加速度與ASIC/MCU組合封裝在一個(gè)包裝內(nèi)
圖4壓力/溫度導(dǎo)入孔
圖5硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
圖6加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖
圖7加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖
同樣,，加速度傳感器也是用MEMS技術(shù)制作的，圖6是MEMS加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖,，圖7是加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖,，圖中間是一塊用MEMS技術(shù)制作的、可隨運(yùn)動(dòng)力而上下可自由擺動(dòng)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(yīng)變片,，與另外三個(gè)刻制在固置硅上的應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯頓測(cè)量電橋，只要質(zhì)量塊隨加速度力擺動(dòng),，惠斯頓測(cè)量電橋的平衡即被破壞,，惠斯頓測(cè)量電橋就輸出一個(gè)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(gè)分別獨(dú)立的裸芯片，它們通過(guò)芯片的集成廠商整合在一個(gè)封裝的單元里,，如圖8美國(guó)GE公司NPX2,，圖9是去掉封裝材料后能清晰地看到這三個(gè)裸芯片，三個(gè)芯片之間的聯(lián)接,、匹配也都做在其中了。
圖8美國(guó)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī),，進(jìn)入系統(tǒng)自檢,、自動(dòng)喚醒，汽車(chē)高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度
自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期,，用軟件設(shè)定安全期,、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)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(shè)計(jì)完成喚醒的功能設(shè)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(hào)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(gè)單元，它包括一個(gè)作運(yùn)算處理控制的8位RISC單片機(jī),、用于安置系統(tǒng)固化程序的4KEROM或FLASH,、用于存放客戶應(yīng)用程序的4KROM、用于存儲(chǔ)傳感器校準(zhǔn)參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128ByteEEPROM,、RAM,、定時(shí)調(diào)制器、中斷控制器,、RC振蕩器,，以及將來(lái)自傳感器信號(hào)進(jìn)行放大的低噪音放大器LNA、繼而將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的ADC,、與外界聯(lián)系的I/O口,、電源管理和看門(mén)狗、斷續(xù)定時(shí)器,、1-3維的LF接口,。
圖12TPMS傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
TPMS傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是將發(fā)射模塊向高度集成化、單一化,、無(wú)線無(wú)源化方向發(fā)展（圖12）,。隨著TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)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(cè)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(lái)幾年內(nèi)還會(huì)開(kāi)發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊,，屆時(shí)胎壓力監(jiān)測(cè)發(fā)設(shè)器只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成,，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)便。
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