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关键词：TPMS 传感器模块 MEMS 压力传感器 MEMS 加速度传感器ASIC/MCU 惠斯顿测量电桥
摘 要：从技术角度剖析TPMS 专用传感器的内部结构，分析MEMS 压力和加速度传感器的架构和工作原理。
TPMS 是汽车轮胎压力监视系统 “Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。
在欧美等发达国家由于TPMS 已是汽车的标配产品，因而TPMS 无论在产品品种还是在生产产量方面都在急速增长，其所用MEMS 芯片和IC 芯片的技术发展进步很快，TPMS 最终产品技术也因此而得到迅速发展。
TPMS 的轮胎压力监测模块由五个部分组成：（1）具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC 芯片组合的智能传感器SoC；（2）4-8 位单片机（MCU）；（3）RF 射频发射芯片；（4）锂亚电池；（5）天线。见图1，图2 是成品的实物图。外壳选用高强度ABS 塑料。所有器件、材料都要满足- 40℃到+125℃的汽车级使用温度范围。 （图片）
图1 TPMS 发射器由五个部分组成（图片）
图2 TPMS 的轮胎压力监测模块成品的实物图智能传感器是整合了硅显微机械加工（MEMS）技术制作的压力传感器、加速度传感器芯片和一个包含温度传感器、电池电压检测、内部时钟和模数转换器（ADC）、取样/保持（S/H）、SPI 口、传感器数据校准、数据管理、ID码等功能的数字信号处理ASIC 芯片。具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。它是由MEMS 传感器和ASIC 电路几块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里的（图3）。在封装的上方留有一个压力/温度导入孔（图4），将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上（图5），同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。（图片）
图3 压力、加速度与ASIC/MCU 组合封装在一个包装内（图片）
图4 压力/温度导入孔（图片）
图5 硅压阻式压力传感器结构MEMS 硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力硅薄膜内壁，采用MEMS 技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路的，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01-0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图5 所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。
为了便于TPMS 接收器的识别，每个压力传感器都具有32 位独特的ID码，它可产生4 亿个不重复的号码。
同样，加速度传感器也是用MEMS 技术制作的，图6 是MEMS 加速度传感器平面结构图，图7 是加速度传感器切面结构图，图中间是一块用MEMS技术制作的、可随运动力而上下可自由摆动的硅岛质量块，在其与周边固置硅连接的硅樑上刻制有一应变片，与另外三个刻制在固置硅上的应变片组成一个惠斯顿测量电桥，只要质量块随加速度力摆动，惠斯顿测量电桥的平衡即被破坏，惠斯顿测量电桥就输出一个与力大小成线性的变化电压△V。（图片）
图6 加速度传感器平面结构图（图片）
图7 加速度传感器切面结构图压力传感器、加速度传感器、ASIC/MCU 是三个分别独立的裸芯片，它们通过芯片的集成厂商整合在一个封装的单元里，如图8 美国GE 公司NPX2，图9 是去掉封装材料后能清晰地看到这三个裸芯片，三个芯片之间的联接、匹配也都做在其中了。（图片） 加速度传感器可使发射模块具有自动唤醒功能，SP12/30 和NPX2 系列的智能传感器都包含了加速度传感器，加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车移动即时开机，进入系统自检、自动唤醒，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、节省电能等功能。可以利用加速度传感器+MCU+软件设计完成唤醒的功能设定，不再需要用其它芯片，以免增加成本。（图片）
图10 SP30 整合使用PHILPS 的P2SC智能传感器模块还整合了ASIC/MCU，NPX2 和SP30 都是使用PHILPS 的P2SC 的传感器信号调理的ASIC 芯片（图10、图11），在NPX2 的电原理图中能清晰地看到这个单元，它包括一个作运算处理控制的8 位RISC 单片机、用于安置系统固化程序的4K EROM或FLASH、用于存放客户应用程序的4K ROM、用于存储传感器校准参数和用户自定义数据的128Byte EEPROM、RAM、定时调制器、中断控制器、RC 振荡器，以及将来自传感器信号进行放大的低噪音放大器LNA、继而将传感器信号转化为数字信号的ADC、与外界联系的I/O 口、电源管理和看门狗、断续定时器、1-3 维的LF 接口。（图片）
图11 NPX2 整合使用PHILPS 的P2SCTPMS 传感器模块技术发展趋势是将发射模块向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展（图12）。随着TPMS 产品市场对IC 高整合度和高可靠性的要求，目前已经有了如Infineon SP12/SP30、GE NPX 那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU 合二为一的智能传感器模块，在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时胎压力监测发设器只有一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。（图片）
图12 TPMS 传感器模块技术发展趋势参考资料
《新型实用传感器应用指南》 颜重光等主编 电子工业出版社 1998/04
《关于开发ATMEL 轮胎压力监测IC 应用市场的报告》 颜重光 2003/12
《TPMS 的设计方案思考》 颜重光 2004/08
《TPMS 汽车安全永恒主题》 颜重光 2005/01
《TPMS 技术与发展趋势》 颜重光 2005/08
Infineon SP30 Datasheet 2005/01
GE NPX2 Datasheet 2005/03
alecyan@belling.com.cm
alecyan@sh163.net
10/12/2006
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