應(yīng)用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新型單芯處無(wú)線壓力傳感器

應(yīng)用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新型單芯處無(wú)線壓力傳感器

汽車輪胎的動(dòng)態(tài)特性和安全性依賴于輪胎充氣壓力，應(yīng)滿足輪胎制造商建議的輪胎壓力范圍，這樣才能有助于防止輪胎出現(xiàn)故障，為汽車提供穩(wěn)定的行駛，同時(shí)提高燃油效率和輪胎壽命。此外，還有助于降低CO2的排放。因而，對(duì)輪胎壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車必不可少的一個(gè)組件。早在2006年美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局就已規(guī)定，先進(jìn)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要包含一個(gè)壓力傳感器、集成電路，以及若干外部電路元件和電路晶體管，并能對(duì)輪胎壓力進(jìn)行無(wú)線傳輸。本文提出了一種新型適用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單芯片無(wú)線壓力傳感器，該傳感器的設(shè)計(jì)基于薄膜體聲波諧振器。

薄膜體聲波諧振器通過(guò)壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)化為聲波形成諧振，其多被用于現(xiàn)代無(wú)線通訊技術(shù)中。薄膜體聲波諧振器的諧振頻率對(duì)其薄膜平面的壓力較為敏感。設(shè)想將薄膜一側(cè)配置一個(gè)恒壓的密封腔，當(dāng)薄膜另一側(cè)承受壓力時(shí)，薄膜兩側(cè)出現(xiàn)壓力差，這樣可以改變薄膜體聲波諧振器的諧振頻率，此時(shí)將壓力轉(zhuǎn)換為頻率。研究使用各向異性的硅作為薄膜兩側(cè)的襯底，并在一側(cè)襯底上采用腐蝕液并利用濕刻蝕的方法在其上形成一個(gè)釋放孔，而另一側(cè)襯底仍然保持密閉。所形成的釋放孔直徑為80μm，通過(guò)釋放孔可以改變薄膜一側(cè)的壓力，從而在薄膜上形成壓力差。最后將整個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)置于濃度為49%的氫氟酸溶液中，用來(lái)去除刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀物。由于該新型壓力傳感器的其它部分與薄膜體聲波諧振器相同，因此可以繼續(xù)采用頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式對(duì)無(wú)線傳輸頻率進(jìn)行調(diào)制，一般傳輸頻率為630MHz。對(duì)該新型壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，其工作溫度范圍為-20～70℃，胎壓測(cè)量范圍為137.9～482.6kPa，誤差不超過(guò)4.7kPa。同時(shí)，對(duì)該新型壓力傳感器功率消耗也進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，采用500mAh的電池可維持其正常使用的時(shí)間超過(guò)5.5年。

Manohar B.Nagaraju et al. 2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference,San Francisco February 22-26,2015.

編譯：李臣