TPMS感測器

tpms感測器是指採用輪胎壓力監測系統（tpms=tire pressure monitoring system）實現了對輪胎壓力的實時監控的一種感測器。感測器中包括感應氣壓的電橋式電子氣壓感應裝置，它將氣壓信號轉換為電信號，通過無線發射裝置將信號發射出來，以確保行車安全。

tpms系統的介紹

tpms是汽車輪胎壓力實時監視系統“tirepressuremonitoringsystem”的英文縮寫，主要用於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。 　tpms系統主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎上的遠程輪胎壓力監測模組和安裝在汽車駕駛台上的中央監視器(lcd/led顯示器)。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度模組，將測量得到的信號調製後通過高頻無線電波(rf)發射出去。一輛轎車或麵包車tpms系統有4個或5個(包括備用胎)tpms監測模組，一輛卡車有8~36個tpms監測模組。中央監視器接收tpms監測模組發射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數據顯示在螢幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現異常，中央監視器根據異常情況，發出報警信號，提醒駕駛者採取必要的措施。

tpms感測器的簡介

tpms感測器是一個集成了半導體壓力感測器、溫度感測器、數位訊號處理單元和電源管理器的soc模組。為了強化胎壓檢測功能，有不少tpms感測器模組內還增加了加速度感測器、電壓檢測、內部時鐘、看門狗，和帶12 bit adc、4kb flash、2kb rom、128 b ram、128 b eeprom及其它功能的asic數位訊號處理單元。這些功能單元使得tpms感測器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內溫度的變化，而且還能實現汽車移動即時開機、自動喚醒、省電等功能。電源管理器確保了系統的低功耗，通常一節鋰電池可以使用3~5年。 　tpms的壓力感測器都是用基於mems技術來設計、生產的，主要有矽集成電容式壓力感測器(如freescale的mpxy8020、mpxy8040)和矽壓阻式壓力感測器(如ge novasensor的npx1、npxc01746，infineon sensonor的sp12、sp12t、sp30)。矽壓阻式壓力感測器也是一個soc模組，一般採用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力/電變換測量電路，其內部典型架構包括整合了採用矽顯微機械加工的壓力感測器、溫度感測器、加速度計、電池電壓檢測、內部時鐘和一個包含adc、取樣/保持、spi口、校準、數據管理以及id碼的數位訊號處理單元，模組可以利用客戶專用軟體進行配置，其測量精度能達0.01~0.03%fs。此外，為了便於tpms接收器的識別，每個壓力感測器都具有6~8位獨特的id碼。

tpms感測器的模組技術

tpms 的輪胎壓力監測模組由五個部分組成： 　（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和後信號處理asic 晶片組合的智慧型感測器soc； 　（2）4-8 位單片機（mcu）； 　（3）rf 射頻發射晶片； 　（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 塑膠。所有器件、材料都要滿足- 40℃到+125℃的汽車級使用溫度範圍。 　圖1 tpms發射器由五個部分組成 　圖2 tpms的輪胎壓力監測模組成品的實物圖 　智慧型感測器是整合了矽顯微機械加工（mems）技術製作的壓力感測器、加速度感測器晶片和一個包含溫度感測器、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、感測器數據校準、數據管理、id碼等功能的數位訊號處理asic 晶片。具有掩膜可程式性，即可以利用客戶專用軟體進行配置。它是由mems 感測器和asic 電路幾塊晶片，用積體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感測器的應力薄膜上（圖 5），同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度感測器上。 　mems 矽壓阻式壓力感測器採用周邊固定的圓形的應力矽薄膜內壁，採用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。矽壓阻式壓力感測器結構如圖5 所示，上下二層是玻璃體，中間是矽片，其應力矽薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力感測器。 　為了便於tpms 接收器的識別，每個壓力感測器都具有32 位獨特的id碼，它可產生4 億個不重複的號碼。 　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 　圖5 矽壓阻式壓力感測器結構 　圖6 加速度感測器平面結構圖 　圖7 加速度感測器切面結構圖 同樣，加速度感測器也是用mems 技術製作的，圖6 是mems 加速度感測器平面結構圖，圖7 是加速度感測器切面結構圖，圖中間是一塊用mems技術製作的、可隨運動力而上下可自由擺動的矽島質量塊，在其與周邊固置矽連線的矽樑上刻制有一應變片，與另外三個刻制在固置矽上的應變片組成一個惠斯頓測量電橋，只要質量塊隨加速度力擺動，惠斯頓測量電橋的平衡即被破壞，惠斯頓測量電橋就輸出一個與力大小成線性的變化電壓△v。 　壓力感測器、加速度感測器、asic/mcu 是三個分別獨立的裸晶片，它們通過晶片的集成廠商整合在一個封裝的單元里，如圖8 美國ge 公司npx2，圖9 是去掉封裝材料後能清晰地看到這三個裸晶片，三個晶片之間的聯接、匹配也都做在其中了。 　圖8 美國ge 公司 　圖9 是去掉封裝材料後 　加速度感測器可使發射模組具有自動喚醒功能，sp12/30 和npx2 系列的智慧型感測器都包含了加速度感測器，加速度感測器利用其質量塊對運動的敏感性，實現汽車移動即時開機，進入系統自檢、自動喚醒，汽車高速行駛時按運動速度 　自動智慧型確定檢測時間周期，用軟體設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡迴檢測周期和提高預警能力、節省電能等功能。可以利用加速度感測器+mcu+軟體設計完成喚醒的功能設定，不再需要用其它晶片，以免增加成本。 　圖 10 sp30 整合使用philps 的 　圖 11 npx2 整合使用philps 的 　智慧型感測器模組還整合了asic/mcu，npx2 和sp30 都是使用philps 的p2sc 的感測器信號調理的asic 晶片（圖10、圖11），在npx2 的電原理圖中能清晰地看到這個單元，它包括一個作運算處理控制的8 位risc 單片機、用於安置系統固化程式的4k erom或flash、用於存放客戶應用程式的4k rom、用於存儲感測器校準參數和用戶自定義數據的128byte eeprom、ram、定時調製器、中斷控制器、rc 振盪器，以及將來自感測器信號進行放大的低噪音放大器lna、繼而將感測器信號轉化為數位訊號的adc、與外界聯繫的i/o 口、電源管理和看門狗、斷續定時器、1-3 維的lf 接口。 　圖12 tpms感測器模組技術發展趨勢 　tpms 感測器模組技術發展趨勢是將發射模組向高度集成化、單一化、無線無源化方向發展（圖12）。隨著tpms 產品市場對ic 高整合度和高可靠性的要求，目前已經有了如infineon sp12/sp30、ge npx 那樣的將所需測試各物理量的感測器與mcu 合二為一的智慧型感測器模組，在未來幾年內還會開發出包含rf發射晶片三合一的模組，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模組，屆時胎壓力監測發設器只有一個模組和一個天線組成，客戶的二次設計變得十分簡便。

tpms感測器的安裝步驟

tpms感測器的安裝步驟如下所示： 　1、用星形螺絲刀拆下tpms發射器上的固定螺釘，將感測器與專用氣嘴分離；並從專用氣嘴拆下專用氣嘴螺帽，待安裝。 　2、將輪胎拆下並將外胎分離出輪轂，拆下輪轂上原來的氣嘴。 　3、將專用氣嘴安裝在輪轂上，上緊專用氣嘴螺帽，保證氣嘴與輪轂接觸緊密。 　4、用固定螺釘將感測器安裝在已裝好的專用氣嘴上，要求感測器位置與輪轂弧面基本平行、感測器固定可靠。 　5、將輪胎安裝到輪轂上，對輪胎充氣和充氣檢查後擰上氣嘴蓋帽，做輪胎動平衡調整。 　6、以同樣方法安裝其他輪胎上感測器，安裝過程應小心、不要損壞感測器。

tpms感測器的性能參數

tpms有機電式和電子式兩種形式之分。電子式tpms成本高，技術含量高，服務對象主要是6輪和7輪汽車；機電式tpms成本低，技術含量低，製造簡單，服務對象主要是載貨汽車、客車，車輪數目不限。 　因使用環境較差，要求tpms感測器導通性能良好、工作穩定，尤其是內部彈簧在使用環境溫度為80℃時，不能出現疲勞失效等現象。tpms感測器的性能參數見下圖。