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1、微纳电子技术?2007 年第 7/8期?192?M icronanoelectronic Fechnology/July August 2007基于集成压力传感器的无源胎压监控系统研究张兆华,陈?磊,李?坤,林惠旺,刘理天,乌力吉,任天令(清华大学 微电子学研究所,北京?100084)摘要:汽车轮胎压力监测系统(T PMS),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,是当前汽车电子研究的一个热点。汽车轮胎的压力与温度是密切相关的,需要同时监控压力和温度信息。设计制作了一种压力温度集成传感器,可以同时监控汽车轮胎压力和温度的变化。基于这种集成压
2、力传感器,设计了一种无源胎压监控系统。关键词:汽车电子;胎压监控系统;压力传感器;无源传感系统中图分类号:T P212.1;T P212.9?文献标识码:A?文章编号:1671?4776(2007)07/08?0192?04Study of Novel Passive Tire Pressure Monitoring SystemBased on Integrated SensorZHANG Zhao?hua,CHEN Lei,LI Kun,LIN Hui?wang,LIU Li?tian,WU Li?ji,REN Tian?ling(Institute of Electronics,T si
3、nghua University,Beijing 100084,China)Abstract:T ire pressure monitoring system(TPMS)is very important for the modern automotivevehicle.T he tire pressure and temperature can be detected using this system even in moving auto?mobile.When the tire pressure is too high or too low,an alarm signal is tra
4、nsferred to the mo?torman.T he principle of TPMS was analyzed and two different resolutions of it were introduced.A novel system was designed order to realize tire pressure monitor.A novel pressure and temperature in?tegrate microsensor for TPMS was designed and fabricated.Key words:automotive elect
5、ron;T PMS;pressure sensor;passive sensor system1?引?言2002 年,由于凡世通(Firestone)轮胎的质量问题,造成了超过 100 人死亡和 400 人受伤的事件,引起了汽车业和美国政府的高度重视,普利斯通/凡世通公司被迫收回 650 万只轮胎。据美国汽车工程师学会最近的调查,每年 75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。据公安部统计,在中国高速公路上发生的交通事故有 70%是由于爆胎引起的,而在美国这一比例则高达 80%1。如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心分析,保持标准的车胎气压和及时发现车胎漏
6、气是防止爆胎的关键,而汽车轮胎压力监视系统将是预防爆胎的理想工具。由于轮胎压力变化通常是一个渐变的过程,即使由于异物刺破轮胎而导致的轮胎泄气也有一个持续过程,因此通过实时监测轮胎压力,并在轮胎压力出现异常后的第一时间报警,能够为驾驶员正确收稿日期:2007?04?02基金项目:浙江省科技攻关专项资助项目(2005C11015);北京市科委资助项目(GYYKW0507009)M icronanoelectronic Fechnology/July August 2007?193?微纳电子技术?2007 年第 7/8 期处理突发情况争取宝贵时间,从而保证行车的安全。为此,美国运输部和美国国家高速公
7、路安全管理局制定了相关政策,规定从 2003 年 11 月到 2006 年10 月 31 日期间新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监视系统 2。2?胎压监控的基本原理目前,轮胎压力监测系统主要有两种解决方案,直接系统和间接系统 3。直接式轮胎压力监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎的气压,并对各轮胎气压进行显示及监控,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统会自动报警。间接式轮胎压力监测系统是通过汽车 ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到监控胎压的目的,该类型系统的主要缺点是:不能显示出各条轮胎准确的瞬时气压值;同一车轴或者同一侧车轮或者所有轮胎气压同时下降时不能
8、报警;不能同时兼顾车速、检测精度等因素。很明显,直接传感系统更有效。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式(ac?tive)和被动式(passive)两种。主动式系统是采用在硅基上利用 MEMS 工艺制作电容式或者压阻式压力传感器,将压力传感器安装在每个轮圈上,通过无线射频的方式将信号传送出去,安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号,经过一定的信号处理,显示出当前的轮胎压力。主动式技术的优点是,技术比较成熟,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎,但缺点同样比较突出,其感应模块需要电池供电,因此存在系统使用寿命的问题。被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波(SAW)来设计的,这种传感器
9、通过射频电场产生一个声表面波,当这个声表面波通过压电衬底材料的表面时,就会产生变化,通过检测声表面波的这种变化,就可以知道轮胎压力的情况。虽然此技术不用电池供电,但是它需要将转发器整合到轮胎中,需各轮胎制造商建立共通的标准才有可能实施 4。轮胎气压实时监测与报警系统目前还没有统一的标准,各公司都在努力开发具有竞争力的产品,以期在未来的竞争中立于不败之地。具有分辨率高、无源、体积小三个特征的胎压监控系统将是未来的发展趋势。轮胎气压监测系统要检测出轮胎气压的异常状况,只有具有高分辨率才能有高的精度。电池寿命是有限的,且容量也受温度影响。为提高系统的可靠性,传感器最好能进行无源检测。轮胎能否正常工作
10、不仅与气压有关,还与温度、车轮转速及载质量等有关,未来的压力传感器在测量轮胎气压的同时,还应能测量轮胎内温度和载质量。许多研究表明,利用轮胎气压传感器收集到的信息,可对车辆悬挂系统进行故障监测并校正导航系统。因此,未来的传感器应该是集各种功能于一身的无源智能型传感器。3?无源 TPMS 磁场电磁耦合设计方案3.1?原理电感耦合是一种变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合。依据的是电磁感应定律,实际上是通过交变磁场在轮胎内测量发射模块的线圈中感应出电压和电流,给轮胎内测量发射模块提供能量。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。3.2?方案设计该系统至少包含轮胎内测量模块和阅读
11、器两部分。一般情况下,胎内测量模块由低频耦合天线(大面积的线圈)、专用微型芯片和高频发射天线组成。低频耦合天线从交变磁场中获得工作所需的能量,专用芯片负责测量压力和将压力信息转化为 RF 信号,高频发射天线将 RF 信号发射到空间。阅读器包含有接收器、控制器以及低频驱动电路、低频天线、高频接收天线。控制器通过低频天线向空间发射出供胎内测量电路使用的电磁波,发射磁场的一小部分磁力线穿过距阅读器天线线圈一定距离的轮胎内测量模块低频耦合天线线圈,通过感应,在低频耦合天线线圈上产生一个电压 Ui,将其整流后作为胎内测量接收模块的电源。将一个电容与阅读器的天线线圈并联,电容器电容的选择依据是:它与天线线
12、圈的电感一起,形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路。该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生非常大的电流,这种方法也可用于产生供远距离应答器工作所需要的场强。微纳电子技术?2007 年第 7/8期?194?M icronanoelectronic Fechnology/July August 2007胎内测量模块的低频耦合天线线圈和电容器构成振荡回路,调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振,应答器线圈上的电压达到最大值。这两个线圈上的结构也可以解释作变压器(变压器的耦合),变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合,阅读器的天线线圈与胎内测量模块的低频耦合天线线圈之间的功率传输效率与工作频率
13、 f、应答器线圈的匝数 n,被应答器线圈包围的面积 A、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离成比例。胎内测量模块获得能量工作后,将压力信息调制到 RF 信号发射出来,阅读器的高频接收天线接收到 RF 信号后,接收器将 RF 信号解调后将压力信号传给控制器,控制器将压力信号通过人机界面告知车主。3.3?难点和解决思路电感耦合系统的效率不高,所以一般适用于低电流电路,作用距离短,一般只有几十厘米。提供能量有限,所以模块中的传感器电路的设计就很重要。其关键是:芯片的设计要效率高,能在低电流的情况下完成测量和发射的任务;微型芯片工作所需要的全部能量必须由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生
14、,所以阅读器的设计要提供足够的磁场强度。本系统要求作用距离大约 30 40 cm,能提供大约 20 mA 的大电流,因此设计上具有挑战性。为实现预期目标,可以从两方面做出努力:一方面是尽可能提供较大的电流和能量供芯片正常工作;另一方面则应该对测量芯片采用低功耗设计,尽量降低胎内测量模块正常工作所需的电流。4?直接胎压监控系统设计与分析本文设计了一种直接式 TPMS,其原理如图 1所示。该系统由两部分组成,轮胎模块和车载接收模块。其中,轮胎模块包括压力和温度传感器、A/D图 1?直接式轮胎压力监控系统原理图变换器、控制器及射频发射器等,如图 2 所示。车载接收模块包括了射频接收器、控制器以及显示
15、报警装置等,如图 3 所示。图 2?轮胎模块原理图图3?车载接收模块原理图该系统的基本工作原理如下,把轮胎模块装置在轮胎内,压力和温度传感器检测轮胎内部当前的应力和温度信息,获得的模拟信号经过 A/D 变换器转换成数字信号,然后通过射频发射器发送出去。车载接收模块装置在驾驶室内,射频接收器接收来自轮胎模块的应力和温度信息,当轮胎压力过高或者过低时,通过显示和报警装置发出报警信息。在轮胎模块,设计了一种新型的压力温度集成传感器作为轮胎压力监控传感器。该传感器集成了压力和温度两种传感器,具有体积小、成本低、测量精度高等特点。采用低噪声四通道放大器,可以方便实现对压力和温度两种信号的放大。控制器采用
16、摩托罗拉的 MC6S08QG8 芯片,该单片机的工作电压为 3 V,与传感器的工作电压一致。射频发射芯片采用摩托罗拉的 MC33493 芯片,该芯片具有 3 V供电以及功耗低等特点。在车载接收模块,射频接收解码芯片采用摩托罗拉的 MC33594 芯片,该芯片是和射频发射芯片MC33493 芯片配套的射频接收芯片,其工作电压是5 V。控制器采用摩托罗拉的 MC9S08AW16 单片机,该芯片的内核为 S08,可以与轮胎模块的单片机M icronanoelectronic Fechnology/July August 2007?195?微纳电子技术?2007 年第 7/8 期MC6S08QG8 采
17、用同样的开发环境,另外该芯片为5 V 供电,与射频接收芯片以及 LCD 显示芯片电平兼容。5?新型的胎压监控传感器分析压力传感器和温度传感器是轮胎压力监控系统的关键部件,设计并制作了一种新型传感器,它包含压阻式压力传感器和温度传感器两部分。其中,压阻式压力传感器主要是利用半导体的压阻效应,把一个惠斯通电桥做在一个硅杯上,如图4所示。当硅杯受到压力后发生形变,惠斯通电桥的四个桥臂电阻就会发生变化,打破了电桥的电平衡,从而会有一个电信号的输出。图 4?硅杯结构(1/4)温度传感器采用单电阻结构,在 n 型硅衬底上制作一个 p 型电阻。因为 p 型注入电阻有一个正的温度系数,当温度发生变化时,电阻的
18、阻值就会发生相应的变化。通过给电阻以电流源供电,就可以通过测量电阻上的电压来检测温度的变化。图 5 是本文制作的传感器芯片的电镜照片。图5(a)为器件正面全貌;图 5(b)为薄膜正面;图 5(c)为薄膜背面。其中压敏元件采用比常规更厚的 50?m 硅杯薄膜(500?m?500?m),增大了体硅上高应力区的面积,在降低工艺要求的同时提高了线性测量范围和过载压力。压敏电阻设计为折线结构,采用优化的几何尺寸,并将其部分制作在高应力体硅上以获得更高灵敏度。体硅上的温敏电阻随压敏电阻利用同步注入工艺制作,减小了工艺复杂度。该器件工艺简单,成品率高,与标准 IC 工艺兼容。初步的测试结果表明集成传感器具有
19、良好的性能。压力传感器的满量程输出为 150 mV,压力测图 5?压力温度集成传感器的 SEM 照片量范围为 0 500 kPa,灵敏度为 0.3 mV/kPa。温度传感器 的灵 敏度 为 1.24 mV/,非线 性为1.6%。压力温度集成传感器完全适用于胎压监控系统的要求。6?结?论在分析了轮胎压力监控系统的原理及各种不同解决方案的基础上,设计了一种新型的轮胎压力监控系统解决方案。根据 TPMS 的要求,设计制作了一种压力温度集成传感器,该器件工艺简单,成品率高,与标准 IC 工艺兼容。感谢清华大学微电子所微纳器件与系统研究室在芯片制作方面给予的帮助和支持,感谢甘肃天水华天传感器有限公司在传
20、感器封装测试方面所给予的帮助和支持。参考文献:1?涂梅.轮胎实时监测系统监测轮胎气压和温度 EB/OL .2004?12?20 http:/ hig hway traffic safety administration federal motorvehicle safety standards S/OL .T ire Pressure M onitoringSystems,Controls and Displays,2003.http:/www.nhtsa.dot.gov/cars/rules/rulings/T PMSfinalrule.6/T PM Sfinal?rule.6.html.3
21、?LEARY M O.T yre?pressure monitoring is one of the biggestsafety improvements that electronics technology can give dri?vers J/OL.EDN Europe,2004:31?37.http:/www.edn?eu?.4?LEMM E H.Wireless tyre pressure monitoring J/OL.Elek?tor electronics,2004:69?71.http:/www.elektor?electronics.co.uk.作者简介:张兆华?(1973!),男,山东人,助理研究员,博士,中国电子学会会员,中国微米纳米技术学会高级会员,主要研究方向为微电子机械系统及微传感器相关技术。