应用于轮胎压力监测系统的新型单芯处无线压力传感器

应用于轮胎压力监测系统的新型单芯处无线压力传感器

汽车轮胎的动态特性和安全性依赖于轮胎充气压力，应满足轮胎制造商建议的轮胎压力范围，这样才能有助于防止轮胎出现故障，为汽车提供稳定的行驶，同时提高燃油效率和轮胎寿命。此外，还有助于降低CO2的排放。因而，对轮胎压力进行监测的轮胎压力监测系统已经成为现代汽车必不可少的一个组件。早在2006年美国国家公路交通安全管理局就已规定，先进的轮胎压力监测系统需要包含一个压力传感器、集成电路，以及若干外部电路元件和电路晶体管，并能对轮胎压力进行无线传输。本文提出了一种新型适用于轮胎压力监测系统的单芯片无线压力传感器，该传感器的设计基于薄膜体声波谐振器。

薄膜体声波谐振器通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转化为声波形成谐振，其多被用于现代无线通讯技术中。薄膜体声波谐振器的谐振频率对其薄膜平面的压力较为敏感。设想将薄膜一侧配置一个恒压的密封腔，当薄膜另一侧承受压力时，薄膜两侧出现压力差，这样可以改变薄膜体声波谐振器的谐振频率，此时将压力转换为频率。研究使用各向异性的硅作为薄膜两侧的衬底，并在一侧衬底上采用腐蚀液并利用湿刻蚀的方法在其上形成一个释放孔，而另一侧衬底仍然保持密闭。所形成的释放孔直径为80μm，通过释放孔可以改变薄膜一侧的压力，从而在薄膜上形成压力差。最后将整个薄膜结构置于浓度为49%的氢氟酸溶液中，用来去除刻蚀过程中产生的沉淀物。由于该新型压力传感器的其它部分与薄膜体声波谐振器相同，因此可以继续采用频移键控（FSK）调制方式对无线传输频率进行调制，一般传输频率为630MHz。对该新型压力传感器进行测试，其工作温度范围为-20～70℃，胎压测量范围为137.9～482.6kPa，误差不超过4.7kPa。同时，对该新型压力传感器功率消耗也进行了测量，结果显示，采用500mAh的电池可维持其正常使用的时间超过5.5年。

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

编译：李臣