車用TPMS專用傳感器模塊技術剖析
TPMS 是汽車輪胎壓力監視系統 “Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫,主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測,對輪胎漏氣和低氣壓進行報警,以保障行車安全,是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統。
在歐美等發達國家由于TPMS 已是汽車的標配產品,因而TPMS 無論在產品品種還是在生產產量方面都在急速增長,其所用MEMS 芯片和IC 芯片的技術發展進步很快,TPMS 最終產品技術也因此而得到迅速發展。
TPMS 的輪胎壓力監測模塊由五個部分組成:(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(MCU);(3)RF 射頻發射芯片;(4)鋰亞電池;(5)天線。見圖1,圖2 是成品的實物圖。外殼選用高強度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發射器由五個部分組成
圖2 TPMS的輪胎壓力監測模塊成品的實物圖
智能傳感器是整合了硅顯微機械加工(MEMS)技術制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個包含溫度傳感器、電池電壓檢測、內部時鐘和模數轉換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI 口、傳感器數據校準、數據管理、ID碼等功能的數字信號處理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封裝里的(圖3)。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔(圖4),將壓力直接導入在壓力傳感器的應力薄膜上(圖 5),同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。
MEMS 硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應力硅薄膜內壁,采用MEMS 技術直接將四個高精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處,組成惠斯頓測量電橋,作為力電變換測量電路的,將壓力這個物理量直接變換成電量,其測量精度能達0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖5 所示,上下二層是玻璃體,中間是硅片,其應力硅薄膜上部有一真空腔,使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。
為了便于TPMS 接收器的識別,每個壓力傳感器都具有32 位獨特的ID碼,它可產生4 億個不重復的號碼。
圖3 壓力、加速度與ASIC/MCU組合封裝在一個包裝內
圖4 壓力/溫度導入孔
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