基于MEMS传感嚣的TPMS系统开发与实现(一)-基础电子

基于MEMS传感嚣的TPMS系统开发与实现
（一）-基础电子
摘要：本文介绍了基于ＭＥＭＳ传感器的ＴＰＭＳ系统解决方案。

文中首先讨论了压阻式ＭＥＭＳ气压传感器和指标参数，随后从底层芯片设计和整体系统应用方案开发不同层次，描述了该系统各个组成部分的软硬件设计和物理实现，给出了实际系统测试验证数据。

实验结果表明，系统可以有效测量气压、温度、电池电压数据，各项指标参数满足国标ＧＢ／Ｔ２６１４９－２０１０要求，可以满足安装ＴＰＭＳ的车辆使用需要。

１引言
ＴＰＭＳ是汽车轮胎压力监测系统（ＴｉｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）的英文缩写，它的主要作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压和温度进行监测，当轮胎气压和温度高于或者低于安全值时进行报警以保障行车安全。

汽车在轮胎气压不足的情况下行驶会造成油耗上升，轮胎寿命缩短，并且对悬挂系统造成很大伤害。

有资料显示，如果轮胎气压比标准值低１０％，轮胎寿命将减少１５％，轮胎气压比标准值低３０％，油耗将上升１０％。

据统计，在广深高速公路上有超过３３％的交通事故是由于发生爆胎
所引起的。

在导致爆胎的众多因素中，轮胎的气压和温度为关键，若胎压长期低于正常气压的８０％，在高速行使时，轮胎会急剧升温而脱层，导致爆胎。

此外轮胎压力过高同样也会带来较大爆胎风险。

ＴＰＭＳ能够使驾驶员实时了解轮胎的气压和温度状况，从而通过降低车速及减少连续行驶时间来调整轮胎气压和温度，以达到安全行驶目的。

ＴＰＭＳ分为直接式和间接式两种：直接式胎压监测是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并把监测到的压力信号通过无线传输的方式发送到接收显示器上。

它的优点是：测量准确，驾驶员能实时了解到所有轮胎的气压和温度信息，但成本较高。

间接式胎压监测是利用汽车ＡＢＳ刹车系统上的速度传感器来比较四个轮胎的转动速度，如果其中某个轮胎胎压较低，则该轮胎的转动速度和其它轮胎不同。

该监测方法成本低廉，但缺点明显：如果四个轮胎的气压同时降低或者某个轮胎打滑时该方法将失效。

此外间接式胎压监测反应时间长，必须在车辆行驶过程中才能发挥作用。

而在国标ＧＢ／Ｔ２６１４９-２０１０《基于胎压监测模块的汽车轮胎气压检测系统》中，胎压监测系统必须在汽车静止时就具
有欠压报警功能，因此间接式ＴＰＭＳ将因为不可克服的缺点而逐渐被主动式ＴＰＭＳ所取代。

本文讨论基于自主研发的ＭＥＭＳ气压传感器的直接式智能ＴＰＭＳ解决方案，采用压阻式ＭＥＭＳ传感器测量胎压，实测结果表明各项主要指标参数符合ＧＢ／Ｔ２６１４９-２０１０要求。

２系统总体设计
本文所介绍的系统如图１所示，分为胎压检测模块和接收机两个主要部分。

胎压检测模块采用气门芯内置方式，直接测量气压、温度、加速度、电池电压等参数，并将有关数据定时发送给接收器进行处理与显示，是ＴＰＭＳ系统的。

为了在汽车静止或开始行驶后从休眠态激活传感器进入正常工作状态，检测模块采用低频（ＬＦ）唤醒天线以及加速度传感器作为激活开关，内置ＭＥＭＳ气压传感器定时测量胎压并经过信号调理电路放大处理后传送给低功耗ＭＣＵ；温度传感器集成在信号调理电路内部，可同时对轮胎温度进行检测；由ＭＣＵ将有关数据信息通过ＲＦ发射单元定时发送给接收机，从而在液晶面板上显示轮胎状况。

３ＭＥＭＳ压力传感器
ＭＥＭＳ压力传感器是ＴＰＭＳ的核一Ｌ，Ｎ量组件，可分为压阻式和电容式两种。

ＭＥＭＳ压阻式压力传感器的原理利用半导体材料受到应力作用时，载流子迁移率发生变化，从而使电阻率也随之变化，即呈现出压阻效应。

ＭＥＭＳ压阻式压力传感器的实现，采用的是惠斯通电桥电路作为力一电变换测量电路，其电路原理如图２所示。

惠斯通电桥电路的计算公式可以写成函数：
如图３所示，在实际器件中，可采用周边固定的硅薄膜构成应力杯形式，在应力处采用光刻技术制作四个高精度半导体应变片，通过片上连线组成惠斯顿测量电桥，从而将压力直接转变为电量。

一种用于压力测量的结构示意图如图４所示，上下有两层玻璃体，中间夹有一层硅片。

硅片应力薄膜部分与上层玻璃片之间形成一个真空腔，应力薄膜下面直通外界。

在应力薄膜与真空腔接触的部分用光刻技术做出半导体应变片，构成惠斯顿测量电桥电路。

当外界气压通过引压腔进入传感器后，应力薄膜受压向上发生弹性变形隆起，从而引起应变片电阻变化，破坏了原来的电桥平衡，输出一个与气压成正比的电压信号。

ＭＥＭＳ电容式压力传感器通过改变电容极板之间的相对位置，从而改变电容值，从而得到与压力成比例的电容信号。

一个典型的电容式压力传感器结构如图５所示。

承受压力后，上下极板间的距离ｄ减小，电容Ｃ增大，从而反映出压力变化。

比较两种ＭＥＭＳ压力传感器，压阻式压力传感器的线性度好，放大读出电路简单，但精度一般，温漂大，一致性略差；电容式压力传感器与之相比，精度更高，温漂小，芯片结构更具鲁棒性，但线性度差且易受寄生电容的影响，信号放大读出电路也较为复杂。

具体到胎压计的应用需求中，对于气压测量的精度要求不高，而线性度要求较高以便校准和及时发现气压变化情况，同时也是从降低成本和系统功耗角度考虑，本系统选用了北京大学自主研发的ＰＳ５００压阻式压力传感器，如图６所示。

ＰＳ５００压阻式压力传感器的主要性能指标如表１所示。