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1 TPMS 发射器由五个部分组成
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
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
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。
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11 NPX2 整合使用PHILPS 的P2SC
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
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