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车用TPMS专用传感器技术剖析

我爱方案网| 车用TPMS,传感器,TPMS| 2011-03-25
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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
                               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4压力/温度导入孔

 


 图5硅压阻式压力传感器结构
                         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
                                          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。[page]

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8美国GE公司NPX2
图9是去掉封装材料后
                                            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10SP30整合使用PHILPS的P2SC
 图11NPX2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
                                  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。
 

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