车用TPMS专用传感器技术剖析

车用TPMS专用传感器技术剖析

中心议题：
TPMS专用传感器的系统组成 TPMS专用传感器的制作工艺 TPMS专用传感器的硬件架构
TPMS是汽车轮胎压力监视系统“tirePressureMonitoringSystem”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1TPMS发射器由五个部分组成

图2TPMS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。
　　
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。


图3压力、加速度与ASIC/MCU组合封装在一个包装内



图4压力/温度导入孔

图5硅压阻式压力传感器结构

图6加速度传感器平面结构图

图7加速度传感器切面结构图
　　
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。
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8美国GE公司NPX2

图9是去掉封装材料后
　　
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10SP30整合使用PHILPS的P2SC

图11NPX2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4KEROM或FLASH、用于存放客户应用程序的4KROM、用于存储传感器校准参数和用户自定义数据的128ByteEEPROM、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12TPMS传感器模块技术发展趋势
　　
TPMS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InfineonSP12/SP30、GENPX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。