1、 基于集成壓力傳感器的無源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)研究張兆華，陳 磊，李 坤，林惠旺，劉理天，烏力吉，任天令(清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京 100084)1 引言2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車業(yè)和美國政府的高度重視，普利斯通凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學(xué)會最近的調(diào)查，每年75的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)公安部統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣

2、壓和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)將是預(yù)防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個漸變的過程，即使由于異物刺破輪胎而導(dǎo)致的輪胎泄氣也有一個持續(xù)過程，因此通過實時監(jiān)測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現(xiàn)異常后的第一時間報警，能夠為駕駛員正確處理突發(fā)情況爭取寶貴時間，從而保證行車的安全。為此，美國運輸部和美國國家高速公路安全管理局制定了相關(guān)政策，規(guī)定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。2 胎壓監(jiān)控的基本原理目前，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種解決方案，直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直

3、接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)控，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。間接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)控胎壓的目的，該類型系統(tǒng)的主要缺點是：不能顯示出各條輪胎準(zhǔn)確的瞬時氣壓值；同一車軸或者同一側(cè)車輪或者所有輪胎氣壓同時下降時不能報警；不能同時兼顧車速、檢測精度等因素。很明顯，直接傳感系統(tǒng)更有效。直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。主動式系統(tǒng)是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個輪圈上，通過無線射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛

4、室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號，經(jīng)過一定的信號處理，顯示出當(dāng)前的輪胎壓力。主動式技術(shù)的優(yōu)點是，技術(shù)比較成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應(yīng)模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問題。被動式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波(SAW)來設(shè)計的，這種傳感器通過射頻電場產(chǎn)生一個聲表面波，當(dāng)這個聲表面波通過壓電襯底材料的表面時，就會產(chǎn)生變化，通過檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實施。輪胎氣壓實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司都在努力開發(fā)

5、具有競爭力的產(chǎn)品，以期在未來的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無源、體積小三個特征的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢。輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)要檢測出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統(tǒng)的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車輪轉(zhuǎn)速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時，還應(yīng)能測量輪胎內(nèi)溫度和載質(zhì)量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對車輛懸掛系統(tǒng)進行故障監(jiān)測并校正導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，未來的傳感器應(yīng)該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。3 無源TPMS磁場電磁耦合設(shè)計方案3

6、.1 原理電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合。依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊的線圈中感應(yīng)出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。3.2 方案設(shè)計該系統(tǒng)至少包含輪胎內(nèi)測量模塊和閱讀器兩部分。一般情況下，胎內(nèi)測量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)、專用微型芯片和高頻發(fā)射天線組成。低頻耦合天線從交變磁場中獲得工作所需的能量，專用芯片負(fù)責(zé)測量壓力和將壓力信息轉(zhuǎn)化為RF信號，高頻發(fā)射天線將RF信號發(fā)射到空間。閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅(qū)動電路、低頻天線、高頻接收天線?？刂破魍ㄟ^低頻天線

7、向空間發(fā)射出供胎內(nèi)測量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內(nèi)測量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應(yīng)，在低頻耦合天線線圈上產(chǎn)生一個電壓Ui，將其整流后作為胎內(nèi)測量接收模塊的電源。將一個電容與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器電容的選擇依據(jù)是：它與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路。該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，這種方法也可用于產(chǎn)生供遠距離應(yīng)答器工作所需要的場強。胎內(nèi)測量模塊的低頻耦合天線線圈和電容器構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓達到最大值。這兩個線圈上的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變

8、壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內(nèi)測量模塊的低頻耦合天線線圈之間的功率傳輸效率與工作頻率f、應(yīng)答器線圈的匝數(shù)n，被應(yīng)答器線圈包圍的面積A、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。胎內(nèi)測量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調(diào)制到RF信號發(fā)射出來，閱讀器的高頻接收天線接收到RF信號后，接收器將RF信號解調(diào)后將壓力信號傳給控制器，控制器將壓力信號通過人機界面告知車主。3.3 難點和解決思路電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以一般適用于低電流電路，作用距離短，一般只有幾十厘米。提供能量有限，所以模塊中的傳感器電路的設(shè)計就很重要。其關(guān)鍵是：芯片的設(shè)計要效率高，能在

9、低電流的情況下完成測量和發(fā)射的任務(wù)；微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應(yīng)。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，所以閱讀器的設(shè)計要提供足夠的磁場強度。本系統(tǒng)要求作用距離大約3040 cm，能提供大約20 mA的大電流，因此設(shè)計上具有挑戰(zhàn)性。為實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可以從兩方面做出努力：一方面是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作；另一方面則應(yīng)該對測量芯片采用低功耗設(shè)計，盡量降低胎內(nèi)測量模塊正常工作所需的電流。4 直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與分析本文設(shè)計了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統(tǒng)由兩部分組成，輪胎模塊和車載接收模塊。其中，輪胎模塊包括壓力和溫度傳感器、AD變換器、控制器及射頻發(fā)

10、射器等，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控制器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。該系統(tǒng)的基本工作原理如下，把輪胎模塊裝置在輪胎內(nèi)，壓力和溫度傳感器檢測輪胎內(nèi)部當(dāng)前的應(yīng)力和溫度信息，獲得的模擬信號經(jīng)過AD變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過射頻發(fā)射器發(fā)送出去。車載接收模塊裝置在駕駛室內(nèi)，射頻接收器接收來自輪胎模塊的應(yīng)力和溫度信息，當(dāng)輪胎壓力過高或者過低時，通過顯示和報警裝置發(fā)出報警信息。在輪胎模塊，設(shè)計了一種新型的壓力溫度集成傳感器作為輪胎壓力監(jiān)控傳感器。該傳感器集成了壓力和溫度兩種傳感器，具有體積小、成本低、測量精度高等特點。采用低噪聲四通道放大器，可以方便實現(xiàn)對壓力和溫度兩種信號的放大?？?/p>

11、制器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片，該單片機的工作電壓為3 V，與傳感器的工作電壓一致。射頻發(fā)射芯片采用摩托羅拉的MC33493芯片，該芯片具有3 V供電以及功耗低等特點。在車載接收模塊，射頻接收解碼芯片采用摩托羅拉的MC33594芯片，該芯片是和射頻發(fā)射芯片MC33493芯片配套的射頻接收芯片，其工作電壓是5 V?？刂破鞑捎媚ν辛_拉的MC9S08AW16單片機，該芯片的內(nèi)核為S08，可以與輪胎模塊的單片機MC6S08QG8采用同樣的開發(fā)環(huán)境，另外該芯片為5 V供電，與射頻接收芯片以及LCD顯示芯片電平兼容。5 新型的胎壓監(jiān)控傳感器分析壓力傳感器和溫度傳感器是輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，

12、設(shè)計并制作了一種新型傳感器，它包含壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器兩部分。其中，壓阻式壓力傳感器主要是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，把一個惠斯通電橋做在一個硅杯上，如圖4所示。當(dāng)硅杯受到壓力后發(fā)生形變，惠斯通電橋的四個橋臂電阻就會發(fā)生變化，打破了電橋的電平衡，從而會有一個電信號的輸出。溫度傳感器采用單電阻結(jié)構(gòu)，在n型硅襯底上制作一個p型電阻。囚為p型注入電阻有一個正的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，電阻的阻值就會發(fā)生相應(yīng)的變化。通過給電阻以電流源供電，就可以通過測量電阻上的電壓來檢測溫度的變化。圖5是本文制作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正面全貌；圖5(b)為薄膜正面；圖5(c)為薄膜背面。其中壓敏元件采用比常規(guī)更厚的50m硅杯薄膜(500 m500m)，增大了體硅上高應(yīng)力區(qū)的面積，在降低工藝要求的同時提高了線性測量范圍和過載壓力。壓敏電阻設(shè)計為折線結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化的幾何尺寸，并將其部分制作在高應(yīng)力體硅上以獲得更高靈敏度。體硅上的溫敏電阻隨壓敏電阻利用同步注入工藝制作，減小了工藝復(fù)雜度。該器件工藝簡單，成品率高，與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容。初步的測試結(jié)果表明集成傳感器具有良好的性能。壓力傳感器的滿量程輸出為150 mV，壓力測量范圍為0500 kPa，靈敏度為0.3 mVkPa。溫度傳感器的靈敏度為1.24 mV，非線性為1.6。壓力溫