汽車胎壓傳感器及微機(jī)電技術(shù)發(fā)展淺析

尹建軍

【摘 要】本文首先簡(jiǎn)要分析了胎壓檢測(cè)器的基本組成與應(yīng)用情況，探討了胎壓檢測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)，最后從智能型傳感器、胎壓傳感器的發(fā)射模塊與傳感器元件兩方面，探討了微機(jī)電技術(shù)及發(fā)展趨向。

【關(guān)鍵詞】汽車；胎壓傳感器；微機(jī)電技術(shù)

近年來(lái)，汽車胎壓檢測(cè)系統(tǒng)（TPMS）無(wú)論是在汽車產(chǎn)業(yè)中，還是在相關(guān)的電子產(chǎn)業(yè)中，均得到較高程度重視，主要因?yàn)槠囂幱谝苿?dòng)狀態(tài)時(shí)，胎壓檢測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)、自動(dòng)檢測(cè)汽車輪胎的氣壓，或是汽車輪胎出現(xiàn)漏氣或胎壓不足等情況時(shí)，能及時(shí)提供有關(guān)駕駛者的各種即時(shí)信息，以此為駕駛安全提供切實(shí)保障。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，胎壓檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)已成為評(píng)價(jià)汽車質(zhì)量與配置情況的金標(biāo)準(zhǔn)，這有力推動(dòng)了汽車市場(chǎng)中汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展、更新與完善。在整個(gè)TPMS中，IC芯片設(shè)計(jì)技術(shù)、微機(jī)電芯片（MEMS）為其核心部分，在這些核心技術(shù)大發(fā)展的背景下，才使得TPMS的車用胎壓產(chǎn)品得到寬泛化、深層次發(fā)展。

一、胎壓檢測(cè)器的基本組成與應(yīng)用

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)中胎壓檢測(cè)器類型而言，可根據(jù)其組成架構(gòu)的差異性，劃分為兩大類，其一為將壓力訊號(hào)當(dāng)作感應(yīng)器的直接式胎壓檢測(cè)器（PSBTPMS），其二為用輪胎速度的間接式胎壓檢測(cè)器（WSBS TPMS），無(wú)論哪種類型的檢測(cè)器，均有一定缺點(diǎn)，比如難以在同一時(shí)間檢測(cè)≥2個(gè)輪胎，當(dāng)汽車行駛速度達(dá)100公里/h時(shí)，易出現(xiàn)誤判信號(hào)的情況。針對(duì)直接式胎壓檢測(cè)器來(lái)講，其無(wú)論是在應(yīng)用功能方面，還是在使用性能上，相比其它類型胎壓檢測(cè)產(chǎn)品，均占有一定優(yōu)勢(shì)，主要因?yàn)橹苯邮教簷z測(cè)系統(tǒng)所用電源為安裝于汽車輪胎當(dāng)中的電池，憑借實(shí)時(shí)性的溫度傳感器、壓力傳感器，能對(duì)輪胎的溫度、氣壓進(jìn)行直接性測(cè)量，還能經(jīng)RF無(wú)線射頻發(fā)射器，把訊號(hào)實(shí)時(shí)傳送至位于駕駛座的顯示屏上，駕駛者通過(guò)屏幕顯示信息的觀察，能夠隨時(shí)得知4個(gè)輪胎的溫度、氣壓信息，如若輪胎出現(xiàn)漏氣及氣壓過(guò)高、過(guò)低等情況，系統(tǒng)便會(huì)立即發(fā)出警報(bào)。所以，當(dāng)前，許多知名汽車廠商，均運(yùn)用的是直接式TPMS，比如法國(guó)CITROEN的C5系列、德國(guó)BMW的Z8系列等。

針對(duì)TPMS而言，其主要包含兩部分，其一為在汽車輪胎內(nèi)安裝的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊，其二為在汽車駕駛臺(tái)上安裝的中央監(jiān)視器。對(duì)于那些安裝于各輪胎當(dāng)中用于測(cè)量輪胎溫度、壓力的模塊，把所測(cè)得的信號(hào)經(jīng)調(diào)制處理后，利用高頻無(wú)線電波（RF），實(shí)時(shí)向外輸出。單個(gè)TPMS系統(tǒng)囊括RTPM模塊數(shù)達(dá)4～5個(gè)。對(duì)于中央監(jiān)視器而言，其能夠?qū)崟r(shí)接收RTPM模塊所傳送的信號(hào)，在屏幕上顯示各輪胎的實(shí)時(shí)溫度、壓力數(shù)據(jù)，提供給駕駛者。如果輪胎溫度、壓力等出現(xiàn)異常情況，中央監(jiān)視器會(huì)依據(jù)當(dāng)前異常，及時(shí)發(fā)出對(duì)應(yīng)警報(bào)信號(hào)，提醒駕駛者及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

二、胎壓檢測(cè)器發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)汽車TPMS胎壓檢測(cè)模塊未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)而言，主要圍繞“微型化”、“低成本”、“低功耗”等要素而發(fā)展，對(duì)于其中的功耗大小而言，往往與電池的實(shí)際使用壽命之間存在緊密關(guān)聯(lián)，而針對(duì)微型化設(shè)計(jì)來(lái)講，則與TPMS胎壓模塊之間有著深層關(guān)系。如若TPMS模塊的功率耗損得到降低，便會(huì)對(duì)TPMS的未來(lái)設(shè)計(jì)方向產(chǎn)生較大影響，因此，當(dāng)前大多設(shè)計(jì)均選用的是內(nèi)建式慣性傳感器，即汽車處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)在第一時(shí)間將TPMS發(fā)射模塊喚醒，并最大化降低電能消耗。但對(duì)于未來(lái)目標(biāo)而言，仍然會(huì)以無(wú)電源模塊設(shè)計(jì)為主要方向，即構(gòu)建MEMS電源，能夠自主供給所需TPMS電能。此外，在“微型化”、“低成本”上，在設(shè)計(jì)方式上，將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒?。?dāng)前，絕大部分汽車的元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等，均由電子裝置來(lái)控制，但因受限于汽車主體空間，構(gòu)建的系統(tǒng)構(gòu)成空間受此影響，同樣會(huì)受到限制。因此，在今后的汽車市場(chǎng)中，MEMS元件技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。需指出的是，汽車電子控制單元需以一種合理方式，結(jié)合于汽車控制元件，使之成為一個(gè)不容分割的整體。所以，在設(shè)計(jì)元件及電路時(shí)，如果能將其設(shè)計(jì)成模塊化、微型化，然后將其在融合于胎壓傳感器中，另外，將RF射頻收發(fā)器也囊括其中，這樣一來(lái)，不僅能使模塊尺寸大幅減少，而且還能較好的節(jié)省成本，在市場(chǎng)中更具競(jìng)爭(zhēng)性。

三、智能型傳感器

智能傳感器實(shí)為一種微型化的計(jì)算機(jī)，其除了基本功能外，還囊括了信息處理、判斷及檢測(cè)等功能，相比于傳統(tǒng)傳感器，職能傳感器有著諸多優(yōu)點(diǎn)，比如能確定傳感器的實(shí)際工作狀態(tài)，能修正測(cè)量數(shù)據(jù)，減少有溫度、壓力等環(huán)境因素所導(dǎo)致的誤差，除此之外，還能通過(guò)軟件技術(shù)，將硬件無(wú)法解決的問(wèn)題消除掉，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算與處理。對(duì)于世界各發(fā)達(dá)國(guó)家而言，均基于車用傳感器硬件，運(yùn)用軟件技術(shù)解決由環(huán)境差、汽車電氣干擾大、等因素所導(dǎo)致的汽車參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確情況。另外，智能傳感器有著較高的精度，測(cè)量范圍廣，信噪比高，輸出信號(hào)強(qiáng)，還有著較好的抗干擾性，因此，許多汽車企業(yè)均在此領(lǐng)域大力開展研究。通常情況下，智能型傳感器架構(gòu)中囊括有各種芯片，如加速度傳感器、壓力傳感器等，其中，還包含有內(nèi)部計(jì)時(shí)器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）及電池電壓檢測(cè)等。需指出的是，MEMS傳感器與ASIC電路芯片之間的整合，可以利用集成電路工藝來(lái)進(jìn)行，將其以一種合理方式，整合于同一個(gè)封裝實(shí)體當(dāng)中，在封裝的上方位置，預(yù)留一導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入至壓力傳感器中，同時(shí)，此孔還能把環(huán)境溫度直接導(dǎo)入至半導(dǎo)體溫度傳感器中。

四、胎壓傳感器的發(fā)射模塊與傳感器元件

當(dāng)前，在制定汽車胎壓傳感器設(shè)計(jì)方案時(shí)，多圍繞芯片整合模塊來(lái)開展，可以在同一時(shí)間內(nèi)，整合輪胎氣壓、溫度及電源管理。為了實(shí)現(xiàn)胎壓傳感器功能的多樣化，需在其原有構(gòu)件中，加裝內(nèi)部時(shí)鐘、電壓檢測(cè)系統(tǒng)及慣性傳感器等，只有這樣，才能在汽車啟動(dòng)時(shí)，更好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喚醒及即時(shí)開機(jī)，促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗化。目前，汽車企業(yè)大多以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要有兩種傳感器類型，即電容式傳感器、壓阻式傳感器。針對(duì)壓阻式傳感器而言，其運(yùn)用高精密半導(dǎo)體電阻，構(gòu)建惠斯登電橋，將此當(dāng)作變換測(cè)量電路，此傳感器的測(cè)量精度區(qū)間為0.01～0.03%FS。輪胎內(nèi)安裝有TPMS發(fā)射模塊，考慮到輪胎并不經(jīng)常更換，因此，需確保一節(jié)鋰電池的工作時(shí)間能達(dá)3～5年。因此，此方面做到省電與低功耗，是十分必要的。當(dāng)系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，這樣便能大幅節(jié)省用電與電池壽命。當(dāng)汽車處于高速行駛狀態(tài)時(shí)，TPMS系統(tǒng)便會(huì)被喚醒，并為駕駛者提供實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。從技術(shù)角度而言，胎壓模塊傳感器的技術(shù)發(fā)展，主要傾向于無(wú)線化、單一化與高度集成化，因此，當(dāng)前市場(chǎng)中，以出現(xiàn)了能夠檢測(cè)物理性質(zhì)的傳感器，比如2合1的智能型胎壓傳感器模塊等，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的不斷發(fā)展，新的胎壓傳感器會(huì)不斷推出與完善。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上，伴隨當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，許多新技術(shù)被應(yīng)用于汽車胎壓傳感器中，有力推動(dòng)了此領(lǐng)域的發(fā)展與完善。隨著新技術(shù)的不斷更替，汽車胎壓傳感器的作用、功能將會(huì)變得更加完備，將會(huì)為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的汽車服務(wù)與體驗(yàn)。

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