轮胎压力监测系统中声表面波压力传感器的研究

轮胎压力监测系统中声表面波压力传感器的研究

轮胎压力监测系统已经成为现代汽车上必不可少的一个组成部分，预计到2017年轮胎压力监测系统的需求将增加至5.47亿套。轮胎压力监测系统的关键部件是压力传感器。传统轮胎压力监测系统使用薄膜体声波谐振器作为压力传感器，但是这种传感器的灵敏度较低。声表面波（SAW）传感器因其具有尺寸小、损耗低、成本低及声电转化性能良好等特点而被广泛应用在移动可配带设备、航天工业中，其中的兰姆波（Lamb）型传感器具有高声速并可利用硅的微机电系统（MEMS）工艺制作而受到关注。分析了SAW传感器中Lamb型传感器应用在轮胎压力监测系统的可行性，并将其使用性能与传统的薄膜体声波谐振器进行对比。

设计的谐振器主要由Lamb型传感器、中间处减薄且表面覆盖氮化铝压电层的基板和两组反射栅组成。制造时，首先采用氢氟酸对硅基片（常用的半导体材料）进行腐蚀处理，以去除表面可能存在的硅氧化物，保持厚度为1μm；之后采用磁控溅射法在硅基片的一面生成1μm氮化铝压电层；最后采用蚀刻剥离技术直接在氮化铝薄膜上制作出所设计的反射栅。对所制造的Lamb谐振器进行有效性分析时，将其安装在印制电路板上，并置于可调的压力室中。通过改变压力室的压力，采用矢量网络分析仪对Lamb谐振器所产生的谐波频率响应进行分析，为便于对比，同样对薄膜体声波谐振器所产生谐波的频率响应进行分析。此外，利用COMSOL软件分别对这两种谐振器进行仿真模拟，通过频率响应仿真得到谐振频率，从而得到声波的振动模式和声波的能量分布。结果显示：Lamb型谐振器能够应用在轮胎压力监测系统中。Lamb型谐振器产生谐波的谐振频率为785MHz，而薄膜体声波谐振器产生谐波的谐振频率为628MHz，高频率的谐振频率有助于减少干扰；Lamb型谐振器的工作范围为103.4～551.6kPa，在低压范围内（103.4～172.4kPa），其灵敏度较高；而在高压范围内（172.4～551.6kPa），其灵敏度较低。

ManoharB.Nagaraju etal. 2015 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & the European Frequency and Time Forum, Denver April 12-16,2015.

编译：李臣