發布日期：2022-08-21 點擊率：57
關鍵詞：TPMS 傳感器模塊 MEMS 壓力傳感器 MEMS 加速度傳感器ASIC/MCU 惠斯頓測量電橋
摘 要：從技術角度剖析TPMS 專用傳感器的內部結構，分析MEMS 壓力和加速度傳感器的架構和工作原理。
TPMS是汽車輪胎壓力監視系統 “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：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC 芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8 位單片機（MCU）；（3）RF 射頻發射芯片；（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 發射器由五個部分組成
圖2 TPMS 的輪胎壓力監測模塊成品的實物圖
智能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），同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。
圖3 壓力、加速度與ASIC/MCU 組合封裝在一個包裝內
圖4 壓力/溫度導入孔
圖5 硅壓阻式壓力傳感器結構
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。
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樑上刻制有一應變片，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。
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
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，實現汽車移動即時開機，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、節省電能等功能。可以利用加速度傳感器+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
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和用戶自定義數據的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字信號的ADC、與外界聯系的I/O 口、電源管理和看門狗、斷續定時器、1-3 維的LF 接口。
圖11 NPX2 整合使用PHILPS 的P2SC
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。
圖12 TPMS 傳感器模塊技術發展趨勢
參考資料
《新型實用傳感器應用指南》 顏重光等主編 電子工業出版社 1998/04
《關于開發ATMEL 輪胎壓力監測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 技術與發展趨勢》 顏重光 2005/08
Infineon SP30 Datasheet 2005/01
GE NPX2 Datasheet 2005/03
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