應用于輪胎壓力監測系統的新型單芯處無線壓力傳感器

應用于輪胎壓力監測系統的新型單芯處無線壓力傳感器

汽車輪胎的動態特性和安全性依賴于輪胎充氣壓力，應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故障，為汽車提供穩定的行駛，同時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，對輪胎壓力進行監測的輪胎壓力監測系統已經成為現代汽車必不可少的一個組件。早在2006年美國國家公路交通安全管理局就已規定，先進的輪胎壓力監測系統需要包含一個壓力傳感器、集成電路，以及若干外部電路元件和電路晶體管，并能對輪胎壓力進行無線傳輸。本文提出了一種新型適用于輪胎壓力監測系統的單芯片無線壓力傳感器，該傳感器的設計基于薄膜體聲波諧振器。

薄膜體聲波諧振器通過壓電薄膜的逆壓電效應將電能量轉化為聲波形成諧振，其多被用于現代無線通訊技術中。薄膜體聲波諧振器的諧振頻率對其薄膜平面的壓力較為敏感。設想將薄膜一側配置一個恒壓的密封腔，當薄膜另一側承受壓力時，薄膜兩側出現壓力差，這樣可以改變薄膜體聲波諧振器的諧振頻率，此時將壓力轉換為頻率。研究使用各向異性的硅作為薄膜兩側的襯底，并在一側襯底上采用腐蝕液并利用濕刻蝕的方法在其上形成一個釋放孔，而另一側襯底仍然保持密閉。所形成的釋放孔直徑為80μm，通過釋放孔可以改變薄膜一側的壓力，從而在薄膜上形成壓力差。最后將整個薄膜結構置于濃度為49%的氫氟酸溶液中，用來去除刻蝕過程中產生的沉淀物。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，因此可以繼續采用頻移鍵控（FSK）調制方式對無線傳輸頻率進行調制，一般傳輸頻率為630MHz。對該新型壓力傳感器進行測試，其工作溫度范圍為-20～70℃，胎壓測量范圍為137.9～482.6kPa，誤差不超過4.7kPa。同時，對該新型壓力傳感器功率消耗也進行了測量，結果顯示，采用500mAh的電池可維持其正常使用的時間超過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