3.3 集成MEMS传感器

集成MEMS传感器是比较成熟的传感器技术，目前已经得到广泛的应用，它利用集成电路设计技术和MEMS技术，将电阻或电容压力和温度传感器、微处理器、信息存储器以及相关的信号处理电路和通信接口电路等集成在一块芯片上，因此，传感器的体积小、重量轻、能耗低、精度高、功能多，利用这种传感器加上简单的外围电路和电源就可以实现轮胎压力与温度等状态的测量^[1][13]-[17]。目前常用的集成MEMS传感器主要包括英飞凌公司的SP系列传感器、GE公司的NPX系列传感器和飞思卡尔公司的MPXY8000系列传感器^[1]，下面分别对这三个系列的传感器进行介绍。

英飞凌公司的SP系列传感器包括SP12、SP30、SP35和SP37。SP12由压力传感器、温度传感器、加速度传感器、电池电压传感器和一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路组成，其中压力传感器是根据压电效应，利用高精密半导体电阻应变片组成的惠斯通电桥作为力电变换测量电路实现的，温度传感器是利用热敏电阻实现的。SP30在SP12的基础上又集成了微处理器，传感器的集成度更高，体积更小。SP35在SP30的基础上集成了RF发射电路，可以实现传感器信号的无线发射。SP37在SP35的基础上集成了低频接收器，可以接收低频唤醒信号，唤醒传感器，实现传感器最大程度的节能。在这些传感器中，利用集成电路设计技术和MEMS技术实现了传感器的高精度和高可靠性设计，传感器可以耐受轮胎内部的高温和高压环境，并且传感器的功耗很低。

GE公司的NPX系列传感器主要包括NPXI、NPXII和NPXIII。NPXI是最基本的一种轮胎传感器，它集成了压力传感器、温度传感器、电压传感器、模数转换器、低频接口和微处理器。压力传感器由微机械加工的单晶硅膜片组成，压敏电阻置于膜片的顶部，其表面用绝缘凝胶涂层进行隔离保护，避免与轮胎压力介质直接接触，硅结构体内部含有一个绝对压力参考腔，在压力作用下，由压敏电阻组成的惠斯通电桥作为力电变换测量电路，将压力信号转化为电信号输出。温度传感器设计在专用集成电路（ASIC）中，它具有与绝对温度成比例的特性。NPXII在NPXI的基础上集成了加速度传感器，可以输出连续的加速度值，供客户灵活选择加速度触发阈值。NPXIII在NPXII的基础上，将RF发射电路集成在同一块芯片上，降低系统的成本，提高系统的可靠性。这种传感器的体积小，可靠性高、功耗低、集成度高。

飞思卡尔公司的MPXY8000系列传感器包括MPXY8020和MPXY8300两种，MPXY8020是最基本的一种传感器，它集成了采用表面微机械加工而成的电容压力传感器、由集成正温度系数扩散电阻构成的电阻温度传感器和数字接口电路，能够同时进行轮胎的压力和温度的测量，并输出经过校准的8位数字压力和温度数据。MPXY8300在MPXY8020的基础上，又集成了轮胎加速度传感器和RF发射电路，扩展了更多的传感器功能，从而可以进一步降低轮胎状态监测系统的体积和设计的难度。

通过对集成MEMS传感器的分析可以看出，集成MEMS传感器的功能都比较丰富，集成度很高，体积也很小，但是，这种传感器需要电池供电，使用寿命有限，传感器需要安装在轮胎内部，安装过程比较麻烦。由于电池的容量有限，因此，节能设计非常重要。通常的方法是采用不同的工作模式进行节能，当汽车停止时，降低传感器测量的频次，传感器可以进入休眠状态，从而节约能量的消耗；当汽车高速行驶时，提高传感器测量的频次，增加轮胎状态监测的实时性。为了延长传感器的使用寿命，传感器使用的电池体积和容量都比较大，但是，在轮胎高速旋转过程中，较大的体积和重量容易影响轮胎的动平衡。