轮胎压力监测系统TPMS低成本方案中专用美国SMI压力传感器SM5420C

SM5420-在TPMS中的应用低价位的TPMS-SM5420公司介绍•公司以传感技术为基础，结合先进的电子电路技术，开发生产各种电子消费类产品，已具备了可根据客户要求大批量生产数字压力表、数字压力开关、电压力锅模块磁性开关等电子产品的能力。•公司代理经销美国SMI压力传感器、日本OKI干簧管，美国SMI公司专心致力于MEMS硅压力传感芯片的研发和生产，SMI硅压力传感器广泛应用于工业、医疗、汽车以及其他通用设备上。•公司网址：•联系电话：86-0755-86372101•传真：86-0755-86372100•公司地址：广东省深圳市南山区中兴工业城5栋521室SM5420简介SM5420是美国SMI公司,为开发轮胎压力传感器，设计和研制出了一种适用的绝对压力传感器，它是一种基于MEMS硅体微机械加工技术的微型压阻绝对压力传感器，敏感元件为―集成惠斯顿全桥。力敏电阻按常规设计分布在正方形硅薄膜的四边边缘中心点，按〈110〉晶向排列，一对呈纵向布局，一对呈切向布局，从而形成惠斯顿应变全桥。电阻条宽8um，全长60um,平均有效应力可以保证100mV／V的输出灵敏度。电阻采用离子注入掺杂形成，有优良的均匀性和掺杂准确度以保证零位和灵敏度的稳定性，电阻设计的阻抗为5KΩ，采用硅硅键合技术形成绝对压力传感器的真空参考腔。它比之用硅－pyrex玻璃阳极键合形成绝对压力参考腔有更优良的热膨涨系统匹配，因而更有利于产品的热稳定性和时间稳定性。采用这一设计工艺技术的另一重大优点是可以大大缩小单元芯片尺寸，本设计的单元芯片尺寸为0.65mm×0.65mm，在一个六英寸硅圆片上可制作二万四千余个力敏感元件单元，而采用硅―玻璃键合设计的单元芯片尺寸一般为1.5×1.5mm至2.2×2.2mm，因而在一个四英吋的硅圆片上可制的压力敏感元件单元分别为3400个和1600个，显而易见，我们的设计有利于降低单元制作成本。当然，采用这一设计的前提是掌握好硅―硅键合技术及薄硅膜片制作技术。鉴于轮胎压力传感器的量程较大，硅膜片较厚，采用精密机械减薄或各向同性腐蚀技术都不难达到设计的要求，即使将这一设计的量程下延至汽车用MAP和AAP绝对压力传感器的量程，采用SmartCut技术或外延片电化学选择腐蚀技术亦不难获得15~20um厚的硅薄膜。用MEMS硅体微机械加工技术制作成功轮胎压力监测系统用的轮胎压力传感器芯片，采用硅―硅键合设计与相关工艺技术缩小芯片尺寸，降低单元成本，为TPMS产品开发走出了第一步。SM5420的性能参数降低成本可能性的探讨目前，国内外超过95%的TPMS厂商均采用压力传感器厂商提供的产品或方案，从技术方案上讲，是可以肯定的，当然价格也很可观。从即将颁布的TPMS系统国家标准来看；TPMS系统仅仅是一个普通的汽车电器，根据压力传感器厂商提供的产品技术规格书上也可看出，器件的技术指标并不高，这样就没必要给TPMS系统定位的太高。现在我们将TPMS系统定位在汽车电器范畴内，并对其功能和要求重新进行分析。一个标准的TPMS系统是由：胎压检测模块和接收显示器模块构成，胎压检测模块又由传感器、CPU、RF发射器和电源组成，接收显示器模块又由RF接收器、CPU、显示器和电源组成。从技术角度来看；TPMS系统实际上也就是一个短距RF数据传输装置，如果采用现代的软硬件技术是很容易组成一套性价比很高的TPMS系统。TPMS功能是对轮胎内的气压和温度进行检测，如发现异常应及时发出报警。要求有高的可靠性和尽可能长的使用寿命。高可靠性就目前的技术是很容易做到的。用一枚小容量的电池使系统连续可靠工作7~10年，就得解决如何低功耗运行问题。采用常规器件就必需设计一个很好的方案。低成本解决方案的实现现在要大幅度降低TPMS系统的成本，我们只需解决低功耗运行问题，这是低成本TPMS系统最难解决的课题。针对我国的TPMS国家标准，我们设计了一套低成本TPMS方案，经1年多的试验和测试，测试结果完全可达到国家标准，与现有TPMS系统相比，成本可降低40%左右，并已开始批量生产。图1为产品实物。图1图3这款低成本的TPMS系统是由；美国SMI公司和我们经过1年多的努力共同研发成功的。图2是方案框图图2由图2可知方案中选择了容易采购的通用器件，我们的方案主要是从以下几个方面解决低功耗问题的；1）唤醒瞬态工作模式。2）增加一个给RF发射器供电的蓄能电源，锂亚电池的特性让我们知道，它的放电电流较小、脉冲放电能力较弱，这一特征对RF发射器是不利的。蓄能电源的作用是；在RF发射器不工作时给蓄能电路一个uA级的充电电流，充完电后（=电池电压）蓄能电源就处于待命状态，当RF发射器接到发送指令时，蓄能电源将会向RF发射器提供一个较强的脉冲电流，这样一来RF发射器工作电流就不再是由电池提供了，这一方法不仅可解决锂亚电池脉冲放电能力弱的缺陷，而且当电池容量下降后系统也能正常工作，经我们测试，当电池的容量下降2/3后，RF发射器还能正常工作。3）将加速度传感器或滚珠传感器改为超低频振动传感器。通常胎压检测模块都被设计为静态和动态二种工作模式，静态工作模式时胎压检测模块耗电极小，动态工作模式会有一定的能耗。国家标准中规定；车辆在行驶前就必须知道轮胎的情况，加速度和滚珠传感器显然是不行的，超低频振动传感器可在车辆启动时的一瞬间探测到发动机的振动，并同时向接收显示器模块发送轮胎信息，启动结束后胎压检测模块进入动态工作模式。MT5421简介MT5421是与SM5420压力传感器相配套的控制芯片，采用LSSOP-20封装。表1为Pin功能PinPin-NamePinPin-Name1NC11传感器供电2NC12压力输入端3TxD13温度输入端4XTAL214动静态控制5XTAL115NC6CR16NC7NC17NC8NC18NC9RFV19NC10GND20VDDMT5421基本特性•宽电压：2.1V~3.6V•休眠电流：0.1uA•工作电流：1.5mA•工作温度：－40℃～＋105℃•检测时间：50us•唤醒时间：2s~10s•唤醒压力：0.1Bar•压力测量范围：0~5.00Bar或0~15.00Bar•温度测量范围：0℃~+99℃•压力测量精度：≤0.10Bar•温度测量精度：±3℃•数据发送：压力变化0.1Bar、温度变化2℃SM5420、MT5421应用工作原理：图3为原理框图，电路上电后MT5421内的CPU复位，系统开始自检，如没检测到压力（0.2Bar），脉冲发生器每12s唤醒CPU一次，唤醒后输出一个50us的压力检测电压（VCC），这期间其余电路均不工作，唤醒时间可通过调整C或R2。当压力为0.2Bar以上时，电路进入静态工作模式，CPU每6s被唤醒一次，同时检测压力、温度和炭精传感器，在该模式下每隔12分钟CPU发送压力、温度数据一次，以便车辆在停止时也可监测轮胎的状况。如在唤醒期间CPU检测到炭精传感器的信息，电路进入动态工作模式，CPU每3s被唤醒一次，同时检测压力、温度，在该模式下压力每变化0.1Bar或温度每变化2℃CPU发送数据一次，如6分钟内二个均没变化CPU发送数据一次。蓄能电源工作原理：RFV输出高电平启动RF电源给蓄能电源提供一个uA级的充电电流，充电后蓄能电源就处于待命状态，当RF发射器接到发送指令时，充完电后蓄能电源就处于待命状态，当RF发射器接到发送指令时，蓄能电源将会向RF发射器提供一个较强的脉冲工作电流。