TPMS專用傳感器模塊技術(shù)剖析

作者：時(shí)間：2013-02-26 來源：網(wǎng)絡(luò)

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TPMS 是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) “Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(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，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。

在歐美等發(fā)達(dá)國家由于TPMS 已是汽車的標(biāo)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(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℃的汽車級(jí)使用溫度范圍。

圖1 TPMS 發(fā)射器由五個(gè)部分組成

圖2 TPMS 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。

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)

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。

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。

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