輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中聲表面波壓力傳感器的研究

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中聲表面波壓力傳感器的研究

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車上必不可少的一個(gè)組成部分，預(yù)計(jì)到2017年輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求將增加至5.47億套。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是壓力傳感器。傳統(tǒng)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用薄膜體聲波諧振器作為壓力傳感器，但是這種傳感器的靈敏度較低。聲表面波（SAW）傳感器因其具有尺寸小、損耗低、成本低及聲電轉(zhuǎn)化性能良好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)可配帶設(shè)備、航天工業(yè)中，其中的蘭姆波（Lamb）型傳感器具有高聲速并可利用硅的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝制作而受到關(guān)注。分析了SAW傳感器中Lamb型傳感器應(yīng)用在輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，并將其使用性能與傳統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)計(jì)的諧振器主要由Lamb型傳感器、中間處減薄且表面覆蓋氮化鋁壓電層的基板和兩組反射柵組成。制造時(shí)，首先采用氫氟酸對(duì)硅基片（常用的半導(dǎo)體材料）進(jìn)行腐蝕處理，以去除表面可能存在的硅氧化物，保持厚度為1μm；之后采用磁控濺射法在硅基片的一面生成1μm氮化鋁壓電層；最后采用蝕刻剝離技術(shù)直接在氮化鋁薄膜上制作出所設(shè)計(jì)的反射柵。對(duì)所制造的Lamb諧振器進(jìn)行有效性分析時(shí)，將其安裝在印制電路板上，并置于可調(diào)的壓力室中。通過(guò)改變壓力室的壓力，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)Lamb諧振器所產(chǎn)生的諧波頻率響應(yīng)進(jìn)行分析，為便于對(duì)比，同樣對(duì)薄膜體聲波諧振器所產(chǎn)生諧波的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析。此外，利用COMSOL軟件分別對(duì)這兩種諧振器進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)頻率響應(yīng)仿真得到諧振頻率，從而得到聲波的振動(dòng)模式和聲波的能量分布。結(jié)果顯示：Lamb型諧振器能夠應(yīng)用在輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。Lamb型諧振器產(chǎn)生諧波的諧振頻率為785MHz，而薄膜體聲波諧振器產(chǎn)生諧波的諧振頻率為628MHz，高頻率的諧振頻率有助于減少干擾；Lamb型諧振器的工作范圍為103.4～551.6kPa，在低壓范圍內(nèi)（103.4～172.4kPa），其靈敏度較高；而在高壓范圍內(nèi)（172.4～551.6kPa），其靈敏度較低。

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

編譯：李臣