TPMS 專用傳感器模塊技術剖析

上海貝嶺股份有限公司 顏重光 高工

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已是汽車的標配產品，因而TPMS無論在產品品種還是在生產產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芯片組合的智慧傳感器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1 TPMS 發(fā)射器由五個部分組成

圖2 TPMS 的輪胎壓力監(jiān)測模塊成品的實物圖

智慧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，它可產生4億個不重復的號碼。

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量塊，在其與周邊固置硅連接的硅梁上刻制有一應變片，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量塊對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車移動實時開機，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?？梢岳眉铀俣葌鞲衅?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10 SP30 整合使用PHILPS 的P2SC

圖11 NPX2 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4K EROM或FLASH、用于存放客戶應用程序的4K ROM、用于存儲傳感器校準參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128Byte EEPROM、RAM、定時調制器、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屆面。

圖12 TPMS 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產品市場對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經有了如Infineon SP12/SP30、GE NPX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。

參考數(shù)據(jù)
《新型實用傳感器應用指南》 顏重光等主編 電子工業(yè)出版社1998/04
《關于開發(fā)ATMEL 輪胎壓力監(jiān)測IC 應用市場的報告》 顏重光 2003/12
《TPMS 的設計方案思考》 顏重光 2004/08
《TPMS 汽車安全永恒主題》 顏重光 2005/01
《TPMS 技術與發(fā)展趨勢》 顏重光 2005/08
Infineon SP30 Datasheet2005/01
GE NPX2 Datasheet 2005/03

Alec 2006-8-28

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