TPMS使用的MEMS传感器技术分析
导语：汽车轮胎压力实时监视系统（TPMS）已经成为中国汽车电子产业的研发热点，在今后的五年里，全球预计会有七亿一百万只轮胎需要安装胎压监测传感器
汽车轮胎压力实时监视系统（TPMS）已经成为中国汽车电子产业的研发热点，在今后的五年里，全球预计会有七亿一百万只轮胎需要安装胎压监测传感器。美国法律要求从2007年8月起在美国销售的所有乘用车和轻型卡车必须安装胎压监测系统欧洲也颁布了相应的法规。中国是汽车消费大国，相信不久将来政府也会制定类似法规。TPMS的需求使一个新兴产业正在兴起。 TPMS是汽车轮胎压力实时监视系统“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。 在汽车的高速行驻过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70％至80％因爆胎引起。如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。TPMS是目前科学防爆和预警的有效手段之一。 TPMS系统 TPMS系统主要有二个部分组成安装在汽车轮胎上的远程轮胎压力监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器（LCD／LED显示器）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（RF）发射出去。一辆轿车或面包车TPMS系统有4个或5个（包括备用胎）TPMS监测模块，一辆卡车有8-36个TPMS监测模块。中央监视器接收TPMS监测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号．提醒驾驶者采取必要的措施。 由于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将TPMS的轮眙压力监测模块安装在轮胎里十分方便和容易，但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度条件十分恶劣，压力，温度、湿度变化特别大，所以该模块的设计要按军级产品的要求来选用元器件，按工业产品的要求来制订生产工艺，然而它是一个量大面广的汽车通用安全产品，要按消费电子产品来定价。 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芯片组合的智能传感器MCM；8-16位单片机（MCU）；RF射频发射芯片；锂亚电池；天线。外壳选用高强应ABS塑料。所有器件、材料都要满足-40℃到+125℃的使用温度范围（图1）。 
轮胎压力监测模块是安装在轮胎上的轮胎压力、温度实时监测和数据发送系统装置，它的内部结构如图2所示。由轮胎压力监测模块构成的TPMS发射器分为车胎内内置和车胎外外置两种。 
TPMS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温度传感器加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含模数转换器（ADC）、取样/保持（S/H）、SPI口、校准、数据管理、ID码的数字信号处理ASIC单元或MCU的SOC，模块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/MCU电路二块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里的。智能传感器是一个MCM模块，它将压力／温度、加速度和MCU集成在一起（图3），为了便于TPMS接收器的识别，每个压力传感器都具有16-32位独特的ID码。 
TPMS的MEMS传感器 TPMS使用的传感器十分细小轻巧、功能要求高，因此只能用MEMS技术来设计、制造。目前TPMS使用的MEMS传感器主要有二大类，即硅压阻式传感器，如GE NovaScnsor的NPX1、NPX2，Infincon SensoNor的SPl2、SP30、SP35；以及硅集成电容式传感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040，MPXY8300系列。NPX和SP30、SP35、 MPXY8300系列的智能传感器都包含了压力传感器和加速度计，压力传感器主要用来测量轮胎的压力变化，加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车移动实时开机，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。 压阻式MEMS传感器 硅压阻式传感器是用硅片经微机械加工而做成周边固支圆膜压力传感器，在TPMS传感器模块封装的上方留有一个压力/温度导入孔，将外界压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上周边固定的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥（图4）；硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，惠斯顿电轿的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。 
同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上，基于同样原理的加速度传感器，其质量块需要一定的运动空间，相比之下略大一点，采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路。加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性、实现汽车移动实时开机，进入系统自检。 拆除模块的封装，传感器模块内部结构如图3所示。 电容式MEMS传感器 最近几年电容式传感器技术有很大的发展，Freescale的新产品MPXY8300系列采用了新一代电容式传感器技术，完全不同于前一代，功耗更低、集成能力更高。MPXY8300集成了硅电容式压力传感器、双轴加速度传感器、MCU和RF发射器（图5）。 
电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量（图6）。其MEMS照片如图7。 [align=center]
[/align] 同样，电容式X轴、Z轴加速度传感器也是用MEMS技术制造的。以电容式Z轴传感器为例，汽车运动时使Z轴传感器悬浮扭矩梁因向心力的作用而发生旋转，旋转引起了可旋转梁与硅底间的电容量变化，即△旋转速度=△电容量（图8）。其MEMS照片如图9。 [align=center]
[/align] X轴传感器在汽车运动时使X轴传感器中间悬浮可动板因加速度的作用而发生左右位移，左右位移引起中间可动板与左右固定板间的电容量变化，即△加速度=△电容量（图10）。其MEMS照片如图11。 [align=center]
[/align] X、Z二个轴向加速度计同时使用，可用于轮胎位置识别。 
图12是采用Freescale MPXY8300的轮胎压力监测模块主板，已显十分简洁，PCB板上面主要是MEMS传感器+MCU+RF三合一的MPXY8300，以PCB板上的闭环天线和125KHz的低频唤醒天线，下面则是一颗锂亚电池。 常用TPMS传感器性能分析 新一代的TPMS设计应采用最新的、集成度高、性能、价格比好、有生命力的器件，特别是发射模块器件的选用，压力、加速度、温度传感器和MCU的分列器件组合的方式是绝不可选的，因发射模块的空间有限。一些过渡产品因生产厂家停产也不宜采用，如SP12。选用合适的器件和方案至关重要。表1 是常用TPMS传感器性能分析表，可供设计选型参考。 
TPMS市场预测 中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势，汽车保有量已突破2600万辆，年销售汽车将赛破600万辆，未来五年将成为仅次于美国的全球第二大汽车销售国。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点，今后每年的增长速度可达50％。其中，仅TPMS技术产品2005年底的市场容量就达20万套，近7亿元人民币；2006达到50万套，近17亿元；2007年将达70万套，近23亿元。根据2003-2010年汽车需求预测；汽车年增长16％-20％；轿车年增长19.2％-24％。综合以上分析，预计，2005-2010年。中国汽车保有量将以16％以上的速度增长（图13，图14）。 [align=center]
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[/align] 同样，电容式X轴、Z轴加速度传感器也是用MEMS技术制造的。以电容式Z轴传感器为例，汽车运动时使Z轴传感器悬浮扭矩梁因向心力的作用而发生旋转，旋转引起了可旋转梁与硅底间的电容量变化，即△旋转速度=△电容量（图8）。其MEMS照片如图9。 [align=center][/align] X轴传感器在汽车运动时使X轴传感器中间悬浮可动板因加速度的作用而发生左右位移，左右位移引起中间可动板与左右固定板间的电容量变化，即△加速度=△电容量（图10）。其MEMS照片如图11。 [align=center][/align] X、Z二个轴向加速度计同时使用，可用于轮胎位置识别。 [/align]
