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TPMS知识讲座(6)--胎压芯片原理知多少(一)

原标题:TPMS知识讲座(6)--胎压芯片原理知多少(一)

说到胎压系统,那么就少不了要了解胎压芯片,说到胎压芯片,我们不能不知道英飞凌SP370、飞思卡尔FXTH87、GE等等大牌及其型号产品。

那么这些芯片的工作原理是什么呢?从原理上来说,到底哪家的芯片是最好最合理的呢?带着这样的问题,我们下面慢慢来揭开胎压芯片里面的秘密吧。

翻开英飞凌SP37、飞思卡尔的芯片资料,我们不难找到这样一张系统及芯片功能框图:

从胎压模块的功能上来说, 胎压检测传感器通过RF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,传感器模块是TPMS系统的核心。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;最后由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。这是TPMS系统的基本原理,同时这里也道出了胎压传感器模块的基本组成模块,如上图所示。

下面我们就芯片里的各功能模块做个深入探究。

1) MEMS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,在应力最大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,对于气压测量的绝对精度要求不高,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。

1) 加速度传感器

加速度传感器,顾名思义,是可将加速度转换为其他形式信号并得以输出的装置。

加速度传感器,英文名称为acceleration transducer,是一种利用感受加速度并将其转换为电信号的方式来测量加速力(加速力即指作用于物体上使物体处于加速过程中的力)的设备。目前已在汽车安全、智能产品、游戏控制等众多领域都得到广泛的应用。

在胎压芯片中,加速度传感器用于检测汽车是否在行驶,利用其对运动的敏感性,实现汽车移动即时开机,进入系统自检、自动唤醒。汽车高速行驶时,按运动速度自动智能确定检测时间周期,并通过辅助软件对汽车行驶过程中的安全期、敏感期和危险期进行监控并做出预警判断,以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、从而大大地降低系统功耗。相关资料表明,当前TPMS芯片中加速度传感器采用压阻检测方式。于此,我们就压阻式加速度传感器原理做一些分享。

压阻式加速度传感器

MEMS压阻式加速度传感器的敏感元件由弹性梁、质量块、固定框组成。压阻式加速度传感器实质上是一个力传感器,他是利用用测量固定质量块在受到加速度作用时产生的力F来测得加速度a的。在目前研究尺度内,可以认为其基本原理仍遵从牛顿第二定律。也就是说当有加速度a作用于传感器时,传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力:F=ma,此惯性力F作用于传感器的弹性梁上,便会产生一个正比于F的应变。,此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量△R,由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与△R成正比的电压信号V。

圧阻式加速度传感器原理:

本系统的信号检测电路采用圧阻全桥来作为信号检测电路。

电桥采用恒压源供电,桥压为为正应变电阻,为负应变电阻。则电桥的输出表达式为:

我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性,因此可以认为所有的压敏电阻及压敏电阻的变化量都是相等的,即:

则电桥输出的表达式变为:

敏感原理

采用的是圧阻式信号检测原理,其核心是半导体材料的圧阻效应。圧阻效应是指当材料受到外加机械应力时,材料的体电阻率发生变化的材料性能。晶体结构的形变破坏了能带结构,从而改变了电子迁移率和载流子密度,使材料的电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为:

式中,为电阻丝的电阻率;L为电阻丝的长度;S为电阻丝的截面积。

阻尼系数

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