汽車輪胎壓力監視系統TPMS傳感器模塊技術解析

2020-12-07 電子發燒友

汽車輪胎壓力監視系統TPMS傳感器模塊技術解析

發表於 2019-03-08 14:31:44

TPMS是汽車輪胎壓力監視系統 「Tire Pressure Monitoring System」的英文縮寫，主要用於在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測，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。

在歐美等發達國家由於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晶片和IC晶片的技術發展進步很快，TPMS最終產品技術也因此而得到迅速發展。TPMS的輪胎壓力監測模塊由五個部分組成：具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和後信號處理ASIC晶片組合的智慧傳感器SoC；4-8位單片機（MCU）；RF射頻發射晶片；鋰亞電池；天線。

智慧傳感器是整合了矽顯微機械加工（MEMS）技術製作的壓力傳感器、加速度傳感器晶片和一個包含溫度傳感器、電池電壓檢測、內部時鐘和模數轉換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI 口、傳感器數據校準、數據管理、ID碼等功能的數位訊號處理ASIC晶片。具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟體進行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路幾塊晶片，用集成電路工藝做在一個封裝裡的。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，同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。

MEMS矽壓阻式壓力傳感器採用周邊固定的圓形的應力矽薄膜內壁，採用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。矽壓阻式壓力傳感器結構如圖5所示，上下二層是玻璃體，中間是矽片，其應力矽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。

為了便於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4億個不重複的號碼。

同樣，加速度傳感器也是用MEMS技術製作的，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技術製作的、可隨運動力而上下可自由擺動的矽島質量塊，在其與周邊固置矽連接的矽梁上刻制有一應變片，與另外三個刻制在固置矽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晶片，它們通過晶片的集成廠商整合在一個封裝的單元裡，如圖8美國GE公司NPX2，圖9是去掉封裝材料後能清晰地看到這三個裸晶片，三個晶片之間的聯接、匹配也都做在其中了。

加速度傳感器可使發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，實現汽車移動實時開機，進入系統自檢、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，用軟體設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡迴檢測周期和提高預警能力、節省電能等功能。可以利用加速度傳感器+MCU+軟體設計完成喚醒的功能設定，不再需要用其它晶片，以免增加成本。

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晶片（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、用於安置系統固化程序的4K EROM或FLASH、用於存放客戶應用程式的4K ROM、用於存儲傳感器校準參數和用戶自定義數據的128Byte EEPROM、RAM、定時調製器、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位訊號的ADC、與外界聯繫的I/O口、電源管理和看門狗、斷續定時器、1-3維的LF屆面。

TPMS傳感器模塊技術發展趨勢是將發射模塊向高度集成化、單一化、無線無源化方向發展（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出包含RF發射晶片三合一的模塊，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊，屆時胎壓力監測發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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