汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)（TPMS）已經(jīng)成為中國(guó)汽車電子產(chǎn)業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)，在今后的五年里，全球預(yù)計(jì)會(huì)有七億一百萬只輪胎需要安裝胎壓監(jiān)測(cè)傳感器。美國(guó)法律要求從2007年8月起在美國(guó)銷售的所有乘用車和輕型卡車必須安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歐洲也頒布了相應(yīng)的法規(guī)。中國(guó)是汽車消費(fèi)大國(guó)，相信不久將來政府也會(huì)制定類似法規(guī)。TPMS的需求使一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)正在興起。 TPMS是汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)“Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。 在汽車的高速行駐過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70％至80％因爆胎引起。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。TPMS是目前科學(xué)防爆和預(yù)警的有效手段之一。 TPMS系統(tǒng) TPMS系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成安裝在汽車輪胎上的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器（LCD／LED顯示器）。直接安裝在每個(gè)輪胎里測(cè)量輪胎壓力和溫度模塊，將測(cè)量得到的信號(hào)調(diào)制后通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一輛轎車或面包車TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）TPMS監(jiān)測(cè)模塊，一輛卡車有8-36個(gè)TPMS監(jiān)測(cè)模塊。中央監(jiān)視器接收TPMS監(jiān)測(cè)模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出報(bào)警信號(hào)．提醒駕駛者采取必要的措施。 由于汽車輪胎現(xiàn)在大多都是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，因此，將TPMS的輪眙壓力監(jiān)測(cè)模塊安裝在輪胎里十分方便和容易，但是汽車在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度條件十分惡劣，壓力，溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按軍級(jí)產(chǎn)品的要求來選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個(gè)量大面廣的汽車通用安全產(chǎn)品，要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來定價(jià)。 輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成具有壓力、溫度，加速度電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器MCM；8-16位單片機(jī)（MCU）；RF射頻發(fā)射芯片；鋰亞電池；天線。外殼選用高強(qiáng)應(yīng)ABS塑料。所有器件、材料都要滿足-40℃到+125℃的使用溫度范圍（圖1）。 輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊是安裝在輪胎上的輪胎壓力、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)裝置，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成的TPMS發(fā)射器分為車胎內(nèi)內(nèi)置和車胎外外置兩種。 TPMS智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器溫度傳感器加速度計(jì)、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理ASIC單元或MCU的SOC，模塊具有掩膜可編程性即可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC/MCU電路二塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。智能傳感器是一個(gè)MCM模塊，它將壓力／溫度、加速度和MCU集成在一起（圖3），為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有16-32位獨(dú)特的ID碼。 TPMS的MEMS傳感器 TPMS使用的傳感器十分細(xì)小輕巧、功能要求高，因此只能用MEMS技術(shù)來設(shè)計(jì)、制造。目前TPMS使用的MEMS傳感器主要有二大類，即硅壓阻式傳感器，如GE NovaScnsor的NPX1、NPX2，Infincon SensoNor的SPl2、SP30、SP35；以及硅集成電容式傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040，MPXY8300系列。NPX和SP30、SP35、 MPXY8300系列的智能傳感器都包含了壓力傳感器和加速度計(jì)，壓力傳感器主要用來測(cè)量輪胎的壓力變化，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)實(shí)時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力節(jié)省電能等功能。 壓阻式MEMS傳感器 硅壓阻式傳感器是用硅片經(jīng)微機(jī)械加工而做成周邊固支圓膜壓力傳感器，在TPMS傳感器模塊封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將外界壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測(cè)量電橋（圖4）；硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗，惠斯頓電轎的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。 同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上，基于同樣原理的加速度傳感器，其質(zhì)量塊需要一定的運(yùn)動(dòng)空間，相比之下略大一點(diǎn)，采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路。加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性、實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)實(shí)時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢。 拆除模塊的封裝，傳感器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。 電容式MEMS傳感器 最近幾年電容式傳感器技術(shù)有很大的發(fā)展，F(xiàn)reescale的新產(chǎn)品MPXY8300系列采用了新一代電容式傳感器技術(shù)，完全不同于前一代，功耗更低、集成能力更高。MPXY8300集成了硅電容式壓力傳感器、雙軸加速度傳感器、MCU和RF發(fā)射器（圖5）。 電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫隔柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大小，即△壓力=△電容量（圖6）。其MEMS照片如圖7。 [align=center] [/align] 同樣，電容式X軸、Z軸加速度傳感器也是用MEMS技術(shù)制造的。以電容式Z軸傳感器為例，汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使Z軸傳感器懸浮扭矩梁因向心力的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)引起了可旋轉(zhuǎn)梁與硅底間的電容量變化，即△旋轉(zhuǎn)速度=△電容量（圖8）。其MEMS照片如圖9。 [align=center] [/align] X軸傳感器在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)使X軸傳感器中間懸浮可動(dòng)板因加速度的作用而發(fā)生左右位移，左右位移引起中間可動(dòng)板與左右固定板間的電容量變化，即△加速度=△電容量（圖10）。其MEMS照片如圖11。 [align=center] [/align] X、Z二個(gè)軸向加速度計(jì)同時(shí)使用，可用于輪胎位置識(shí)別。 圖12是采用Freescale MPXY8300的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊主板，已顯十分簡(jiǎn)潔，PCB板上面主要是MEMS傳感器+MCU+RF三合一的MPXY8300，以PCB板上的閉環(huán)天線和125KHz的低頻喚醒天線，下面則是一顆鋰亞電池。 常用TPMS傳感器性能分析 新一代的TPMS設(shè)計(jì)應(yīng)采用最新的、集成度高、性能、價(jià)格比好、有生命力的器件，特別是發(fā)射模塊器件的選用，壓力、加速度、溫度傳感器和MCU的分列器件組合的方式是絕不可選的，因發(fā)射模塊的空間有限。一些過渡產(chǎn)品因生產(chǎn)廠家停產(chǎn)也不宜采用，如SP12。選用合適的器件和方案至關(guān)重要。表1 是常用TPMS傳感器性能分析表，可供設(shè)計(jì)選型參考。 TPMS市場(chǎng)預(yù)測(cè) 中國(guó)正在成為全球最大的新興汽車市場(chǎng)，中國(guó)汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，汽車保有量已突破2600萬輛，年銷售汽車將賽破600萬輛，未來五年將成為僅次于美國(guó)的全球第二大汽車銷售國(guó)。汽車安全產(chǎn)品將成為中國(guó)生機(jī)勃勃的新興市場(chǎng)熱點(diǎn)，今后每年的增長(zhǎng)速度可達(dá)50％。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場(chǎng)容量就達(dá)20萬套，近7億元人民幣；2006達(dá)到50萬套，近17億元；2007年將達(dá)70萬套，近23億元。根據(jù)2003-2010年汽車需求預(yù)測(cè)；汽車年增長(zhǎng)16％-20％；轎車年增長(zhǎng)19.2％-24％。綜合以上分析，預(yù)計(jì)，2005-2010年。中國(guó)汽車保有量將以16％以上的速度增長(zhǎng)（圖13，圖14）。 [align=center] [/align]