車用TPMS專用傳感器模塊技術(shù)剖析

TPMS 是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) “Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。
　　
在歐美等發(fā)達(dá)國家由于TPMS 已是汽車的標(biāo)配產(chǎn)品，因而TPMS 無論在產(chǎn)品品種還是在生產(chǎn)產(chǎn)量方面都在急速增長，其所用MEMS 芯片和IC 芯片的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步很快，TPMS 最終產(chǎn)品技術(shù)也因此而得到迅速發(fā)展。
　　
TPMS 的輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個(gè)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(jī)（MCU）；（3）RF 射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。見圖1，圖2 是成品的實(shí)物圖。外殼選用高強(qiáng)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(fā)射器由五個(gè)部分組成

圖2 TPMS的輪胎壓力監(jiān)測模塊成品的實(shí)物圖
　　
智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個(gè)包含溫度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI 口、傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)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(jìn)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(gè)封裝里的（圖3）。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔（圖4），將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上（圖 5），同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。
　　
MEMS 硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS 技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)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(gè)物理量直接變換成電量,其測量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖5 所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。
　　
為了便于TPMS 接收器的識別，每個(gè)壓力傳感器都具有32 位獨(dú)特的ID碼，它可產(chǎn)生4 億個(gè)不重復(fù)的號碼。

圖3 壓力、加速度與ASIC/MCU組合封裝在一個(gè)包裝內(nèi)

圖4 壓力/溫度導(dǎo)入孔

圖5 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖6 加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖

圖7 加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖
　　
同樣，加速度傳感器也是用MEMS 技術(shù)制作的，圖6 是MEMS 加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖，圖7 是加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖，圖中間是一塊用MEMS技術(shù)制作的、可隨運(yùn)動(dòng)力而上下可自由擺動(dòng)的硅島質(zhì)量塊，在其與周邊固置硅連接的硅樑上刻制有一應(yīng)變片，與另外三個(gè)刻制在固置硅上的應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯頓測量電橋，只要質(zhì)量塊隨加速度力擺動(dòng)，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(gè)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(gè)分別獨(dú)立的裸芯片，它們通過芯片的集成廠商整合在一個(gè)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(gè)裸芯片，三個(gè)芯片之間的聯(lián)接、匹配也都做在其中了。

圖8 美國GE 公司NPX2

圖9 是去掉封裝材料后
　　
加速度傳感器可使發(fā)射模塊具有自動(dòng)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(zhì)量塊對運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度
　　
自動(dòng)智能確定檢測時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能?？梢岳?strong>加速度傳感器+MCU+軟件設(shè)計(jì)完成喚醒的功能設(shè)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

圖 11 NPX2 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(diào)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(gè)單元，它包括一個(gè)作運(yùn)算處理控制的8 位RISC 單片機(jī)、用于安置系統(tǒng)固化程序的4K EROM或FLASH、用于存放客戶應(yīng)用程序的4K ROM、用于存儲傳感器校準(zhǔn)參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128Byte EEPROM、RAM、定時(shí)調(diào)制器、中斷控制器、RC 振蕩器，以及將來自傳感器信號進(jìn)行放大的低噪音放大器LNA、繼而將傳感器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的ADC、與外界聯(lián)系的I/O 口、電源管理和看門狗、斷續(xù)定時(shí)器、1-3 維的LF 接口。

圖12 TPMS傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢
　　
TPMS 傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢是將發(fā)射模塊向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展（圖12）。隨著TPMS 產(chǎn)品市場對IC 高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)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(nèi)還會開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)胎壓力監(jiān)測發(fā)設(shè)器只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡便。