车用TPMS专用传感器模块技术剖析

　　TPMS 是汽车轮胎压力监视系统 “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1 TPMS发射器由五个部分组成

图2 TPMS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4 压力/温度导入孔

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。

　　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9 是去掉封装材料后

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