【应用】汽车故障杀手！高性能压力传感器助力的TPMS要逆天了
【摘要】如今，TPMS系统已经快速成为避免意外发生的基本配备。硅压阻式压力传感器SM5420的测量精度能达到0.01-0.03%FS，其采用的是0.65mm*0.65mm的晶元，结构稳定系数在±0.20％FSO以内。因此，SM5420以其高精度、低成本、小体积、易集成、高稳定性等特点，被广泛应用于TPMS中。
汽车轮胎压力监视系统（TPMS）主要用于汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，当轮胎漏气或者气压低时进行报警，以确保行车的安全，汽车发生故障的情况如下图所示。目前，TPMS系统已经快速成为避免意外发生的基本配备，预计到2019年，车厂可能要强制性安装TPMS系统。
图1：汽车发生故障的情况
TPMS主要分为间接式TPMS（Wheel-Speed Based TPMS）和直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS）两种类型。2001年7月，美国运输部和国家高速公路安全管理局联合对现有的两种TPMS系统进行了评价，评价报告认为，直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS，从而使研制直接式TPMS成为流行趋势。
TPMS的压力传感器都是基于MEMS技术的，主要有硅集成电容式压力传感器和硅压阻式压力传感器（如SMI的SM5420）。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，其测量精度能达到0.01-0.03%FS，被广泛应用于汽车轮胎压力监视系统中。图2是使用SM5420设计的TPMS电子架构图，其工作流程是：压力传感器SM5420把压力信号传输给处理器MT5421，压力信号编码之后，通过RF发射出去。因此，压力传感器需具有高度集成、超小体积和极高的稳定性等特性，才能保证TPMS的高可靠性。
图2：使用SM5420设计的TPMS电子架构图
SM5420是美国SMI公司为了开发TPMS传感器，而设计研发出的一款适用的绝对压力传感器，它是基于MEMS硅体微机械加工技术的微型压阻式绝对压力传感器。SM5420采用的是0.65mm*0.65mm的晶元，在一个六英寸硅圆片上，可制作出二万四千余个压敏感应单元。而一般压力传感器晶元采用的是硅-玻璃键合设计1.5mm*1.5mm或者2.2mm*2.2mm晶元，在一个四英寸的硅圆片上制作压力敏感单元的个数分别为3400个与1600个左右，从这可以明显地看出，SM5420高度集成的设计有利于降低单元制作成本。当其应用于TPMS中时，可大大地降低系统的成本。
此外，SM5420是表面安装的硅压力传感器，其采用硅-硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内。超小体积、超低成本的表面安装（SO-8）结构，使其适用于自动化元件贴装，可安装在狭小的场合。SM5420的稳定系数在±0.20％FSO以内，具有长期高稳定性能。因此，压阻式绝对压力传感器SM5420以其高精度、低成本、小体积、易集成、高稳定性等特点，被广泛应用于TPMS中。
SM5420的特性参数:
• 压力范围：
--0～100kPa≈15,Psi
--0～200kPa≈30,Psi
--0～400kPa≈60,Psi
--0～700kPa≈100Psi
• 3倍过载压力
• 额定压力电气性能（25℃）：供电3.0V，最大10V
• DC输入阻抗：5000±20％Ω
• 输出阻抗：5000±20％Ω
• 环境条件静电损害（ESD）＞10kv
• 工作温度：-40～125℃
• 线性度：±0.20％FSO
• 迟滞和重复性：±0.10％FSO
• 零点温度系数：±0.04％FSO/℃
• 电阻温度系数：0.30％/℃
• 灵敏度温度系数：-0.20VV％FSO/℃
• 长期稳定性：±0.20％FSO
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