[发明专利]应用于TPMS的集成式声表面波无线压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线压力传感器，特别是涉及一种应用于汽车轮胎压监控系统(TPMS)的压力监控的声表面波(Surface acoustic wave：SAW)集成温度检测与电子标签的压力传感器。

背景技术

近年来，安全性一直是推动汽车轮胎压力监控系统(TPMS)发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎有关，因此TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。据统计，轮胎压力异常将破坏汽车的稳定性并影响汽车的驾驶和制动，每年因此而导致的交通事故高达数十万起。另外，大约20％的轮胎仍处于40％的亚充气状态(under-inflated)，这不仅显著的降低了轮胎的寿命，而且还增加了燃料消耗。根据固特异(goodyear)公司的数据，亚充气状态下每下降3个PSI将使燃料增加1％。采用TPMS在汽车轮胎处于25％的亚充气状态时向驾驶员发出警告，以有效的防止轮胎破损，从而避免汽车在轮胎充气不足的情况下负重行使而导致的交通事故。这样TPMS不仅有助于预防交通事故，而且每年节约的燃料消耗和汽车维护费可达17亿美元。美国交通部国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)要求自2007年起，所有在美国出售的汽车都必须装备TPMS。因此，未来TPMS的市场将非常巨大。咨询公司Strategy Analytics指出，未来数年中，轮胎压力监控有望成为汽车电子系统中增长最快的领域，2010年将达到300万套。

近年来，SAW技术开始应用于无线TPMS系统之中，而且业已成为当前TMPS的一个重要发展趋势。其主要优点是传感器部分不需要电池供电，而且质量较小，目前已经开发出的实验传感器只有5g左右，同时可在高温等恶劣环境下工作。这样，相对于其他类型的压力传感器具有明显优势。目前有报道有两种SAW结构模式应用于TMPS。一种是基于谐振器模式(文献1：W.Buff et al，“Passive remote sensing for temperature andpressure using SAW resonator devices”，IEEE Trans.UFFC.，Vol.45，No.5，1998，pp.1388-1392)。该传感器由两个SAW单端谐振器构成。其基本原理是将一单端SAW谐振器置于振动基片上振动膜拉伸区域(一般位于振动膜的中心位置)，而另外一个谐振器置于振动膜压力传感区域以外(即振动膜压缩区域，一般位于振动膜的边缘位置)，作为对压力传感器的温度补偿。由于胎压变化引起振动膜的弯曲变形，表面应力/应变分布改变，导致SAW速度的线性变化，从而引起传感器频率变化，以此实现对外围压力的无线检测，并通过频率差分输出模式来对外围环境温度变化进行补偿。然而，由于SAW谐振器谐振频率的高温灵敏度，传感器系统输出信号将受到射频通道的谐振部分、天线与匹配网络的严重干扰。还有，由于压力检测的谐振器与温度补偿谐振器难以处于同一方位，这样，由于基片表面的热梯度误差不可能完全有效实现温度的补偿效应。另外一种无线SAW压力传感器则采用SAW反射型延迟线结构模式，这种器件通常由一个叉指换能器与沿声波传播方向设置的三个反射器组成。采用这种SAW反射型延迟线的无线压力传感器由一个SAW反射型延迟线，封装底座以及用黏合剂将SAW反射型延迟线与封装底座密封形成的具有参考压力的密封腔。基于这种SAW反射型延迟线结构的无线压力传感器的基本原理是：SAW反射型延迟线的叉指换能器与无线天线相连，并将无线天线接收来自读取单元(Reader unit)的电磁波信号转换成SAW信号，并沿压电基片表面传播，继而声波信号为反射器所反射，并通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，通过无线天线为接收器所接收。这样，将这种SAW压力传感器内置于轮胎之中，胎内压力引起振动膜的弯曲变形导致振动膜表面应变分布变化，从而引起SAW速度的变化，继而导致时域反射信号的时延(相位)变化，这样就可以实现对胎压的实时检测。据报道的原型采用SAW反射型延迟线的压力传感器的压力检测的分辨率达到了1％，如文献2：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252所介绍。由于这种SAW压力传感器由单个器件构成，结构简单，又采用如文献3：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precision pressure sensor incorporatingSAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252中所描述的差分温度补偿方法，可以使系统不易受到检测环境影响因素的干扰，具有良好的温度稳定性；以相位作为传感器输出信号，具有较高的灵敏度分辨率，且器件本身可以实现绝对无源，因此，这种压力传感器具有良好的应用前景，引起人们极大的兴趣。