基于集成压力传感器的无源胎压监控系统研究(2)

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　　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、控制器以及显示报警装置等，如图3所示。

　　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MC6S08QG8采用同样的开发环境，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。

　　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。

　　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。囚为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50μm硅杯薄膜(500 μm×500μm)，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良好的性能。压力传感器的满量程输出为150 mV，压力测量范围为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。

　　结 论

　　在分析了轮胎压力监摔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。