TPMS 专用传感器模块技术剖析

TPMS(汽车轮胎压力监视系统)主要用于在汽车行驶时实时地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，TPMS 已是汽车的标配产品，无论在产品种类还是出货量方面都在急速增长。TPMS中用到的MEMS和其它芯片的技术发展进步很快，TPMS 最终产品技术也因此而得到了迅速发展。
TPMS 的轮胎压力监测模块由五个部分组成：具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC 芯片的智能传感器SoC；4~8 位单片机(MCU)；RF射频发射芯片；锂离子电池；天线。如图1所示。模块外壳一般选用高强度ABS 塑料，所有器件、材料都要满足- 40℃~+125℃的汽车级使用温度范围。

图1 TPMS 发射器结构

智能传感器SoC中集成了MEMS技术制作的压力传感器、加速度传感器芯片，以及一个包含温度传感器、电池电压检测、内部时钟和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。它具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。SoC封装上方留有一个压力/温度导入孔，可将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，如图2所示。同时这个孔还能将环境温度直接导入半导体温度传感器上。

图2 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应力硅薄膜内壁，通过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，可将压力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上下两层是玻璃体，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，可产生4 亿个不重复的号码。

图3 加速度传感器平面结构图

同样，加速度传感器也是用MEMS 技术制作的，其平面结构图和切面结构图如图3、4所示。中间是一块用MEMS技术制作的、可随运动力而上下自由摆动的硅岛质量块，在其与周边固置硅连接的硅梁上刻制有一应变片，与另外3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关系的变化电压△V。

图4 加速度传感器切面结构图

加速度传感器可使发射模块具有自动唤醒功能，英飞凌的SP12/30和GE NovaSensor公司的 NPX2系列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，可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。唤醒功能的设定可以利用加速度传感器、MCU和软件设计完成，不再需要其它芯片，以免增加成本。

图5 SP30中集成了飞利浦的P2SC

智能传感器模块中还整合了ASIC/MCU，如NPX2 和SP30 都使用飞利浦的传感器信号调理ASIC 芯片P2SC，如图5、6所示。在NPX2 的电原理图中能清晰地看到这个单元，它包括用作运算处理控制的8位RISC单片机、用于安置系统固化程序的4K EROM或闪存、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128B 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声放大器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6 NPX2中集成了飞利浦的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。随着TPMS 产品市场对高集成度和高可靠性的要求，目前已经有了如SP12/SP30、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发射芯片的三合一模块、包含利用运动的机械能自供电的四合一模块，届时胎压力监测发射器将只由一个模块和一个天线组成，客户的二次设计会变得更加简便。■