CN102922962A

CN102922962A - 一种无源无线微型胎压传感器

Info

Publication number: CN102922962A
Application number: CN2012104518913A
Authority: CN
Inventors: 王小章; 张群明; 王朝晖; 郑腾飞
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102922962B

Abstract

本发明公开了一种无源无线微型胎压传感，包括上层板和下层底板，上层板上设有对外部压力进行敏感的多层复合弹性薄膜，多层复合弹性薄膜中设有声表面波器件，有声表面波器件包括换能器和叉指电极，下层底板上设有与声表面波器件相耦合的微型天线。本发明可植入轮胎内部工作，自主实现能量获取并完成压力监测任务，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输，具有体积小、质量轻、无污染、节能环保等优点。

Description

一种无源无线微型胎压传感器

技术领域

本发明属于胎压传感器技术领域，涉及一种无源无线微型胎压传感器。

背景技术

胎压监测系统通过监视轮胎内压力的变化，通过预警来预防爆胎事故的发生，以保护车辆行驶的稳定和驾乘人员的安全。胎压监测传感器则是整个系统中的核心部件，其工作性能直接决定了监测系统的准确性和可靠性。按照配置情况，可将胎压传感器分为有源式和无源式两种。有源式传感器需要附带电池供电，以满足传感器工作的能量需要；无源式传感器则依赖外部能量耦合进行工作。

目前，市场上商用的胎压传感器都为有源式，即将压力传感器、电源、微型处理器、及无线通讯模块集成封装起来，安装于轮辋内或轮胎气嘴上。由于其在外部附加的安装方式，在轮胎维修、调换过程中容易造成气嘴或发射模块的损坏，使胎压监测系统失效。其次，内置电源模块供系统进行胎压测量、信号调制、无线通信等，因而电池的工作寿命必须满足一定的标准和要求。由于轮辋的屏蔽作用和系统待机，导致电池电量快速消耗，形成巨大的浪费。制造、更换电池所带来的环境污染也是一个不可忽视的因素。有源式胎压传感器由于需要内置电池提供能量，体积和重量都比较大，安装不便且寿命受限、功能单一，更换电池导致使用维护成本高、并随之带来了环境污染问题，已经不能满足节能、环保的新技术标准和要求。

无源传感器的优势在于无需内置电源模块，具有体积小、成本低、寿命长的优点，最终实现植入式安装和免维护使用，是下一代胎压监测系统的发展方向，无源无线的工作方式，克服了内置电池的使用寿命限制，降低了系统的制造和维护成本，减少更换电池带来的环境污染。由于体积小和免维护性，可以实现植入轮胎安装，将“on-rim”安装转变为“in-tire”模式，解决了胎压传感器的在轮辋（气嘴）上的安装问题，减少轮胎维修带来的传感系统容易损坏的问题。同时，还可以提高轮胎的互换性，避免了胎压传感系统在轮胎更换、调换后需要重新设定的问题。可植入式安装方式，不仅便于安装和维护，也是实现智能轮胎主要研究目标和发展方向。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种无源无线微型胎压传感器，可植入轮胎内部工作，自主实现能量获取并完成压力监测任务，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输，具有体积小、质量轻、无污染、节能环保等优点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无源无线微型胎压传感器，包括上层板和底板，上层板上设有对外部压力敏感的多层复合弹性薄膜，多层复合弹性薄膜中设有声表面波器件，声表面波器件包括压电材料层和叉指电极，下层底板上设有与收器接端的监测天线相耦合的微型天线。

所述的多层复合薄膜包括上电极层和下电极层，上电极层和下电极层之间设有第一绝缘层，下电极层下方设有第二绝缘层内，声表面波器件设置在第二绝缘层内并通过电极层与微型天线相连接；声表面波器件的还包括设置在压电材料层上的声表面波反射栅。

声表面波器件由微型天线的耦合获得工作能量并产生振荡效应，在多层复合弹性薄膜表面形成一个稳定的声波场，外部压力作用多层复合弹性薄膜后引起其变形，变形直接作用于声表面波器件导致声波场属性改变，产生包含外部压力变化信息的声波；变化后的声波再经过声表面波器件，转化为无线信号并经微型天线发出，供收器接端接收并处理。

当多层复合弹性薄膜变形直接作用于声表面波器件后，变形导致声表面器件的叉指电极之间的间距、以及上电极层和下电极层之间距离的变化，改变声表面波器件的谐振频率，声表面波器件的谐振频率经微型天线发送，测量谐振频率的变化量，得到相应的压力变化值。

所述的多层复合薄膜为外凸型，从外到内依次包括：Si₃N₄层、多晶硅层、上电极层、第一绝缘层、下电极层和第二绝缘层，声表面波器件设置在第二绝缘层中。

所述的第一绝缘层和第二绝缘层为Parylene绝缘层，用于多层复合薄膜的成型及电极绝缘，Si₃N₄层和多晶硅层实现键合封装和外部保护，上电极层和下电极层均以铝作为电极材料。

所述的多层复合薄膜外凸为矩形、圆形或多边形。

所述的第二绝缘层与下层底板相连接，下层底板包括Si₃N₄层和Si基底。

所述的压电材料层由ZnO、SiO₂或LiNbO₃压电材料制作。

所述的无源无线微型胎压传感器植入轮胎内部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的无源无线微型胎压传感器，能够植入轮胎内部工作，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输。传感器依赖自身与外界信号的能量耦合，获取工作所需能量。外部胎压的波动，引起作为敏感部件的薄膜结构变形，并最终导致传感器输出量的变化，传感器的输出经过微型天线，以无线信号形式发射出去，完成测量过程。

本发明提供的无源无线微型胎压传感器，上层板上的外凸型多层复合薄膜，用于压力测量。由于各部分结构材料刚性的差异较大，外界压力作用将引起薄膜变形。这种变形直接作用于声表面波器件，引起声场传播属性的变化。

本发明提供的无源无线微型胎压传感器，多层薄膜变形将导致声表面器件叉指电极的间距和两组电极之间距离变化，从而改变表面声波的中心频率。测量谐振频率的变化量，即可计算出相应的压力变化值。多组器件的相互配合，还可以获得对温度、振动等因素的补偿，提高传感器的测量精度。

本发明提供的无源无线微型胎压传感器，以无源无线的方式工作，克服有源式传感器的多种缺陷。去除电池供电，降低成本减少环境污染，同时避免传感器因电源不足的失效问题。直接使用声表面波器件，可直接进行无线通讯和压力测量，降低了系统复杂性和能量需求，提高了可靠性。采用微制作工艺制作带来的小体积和轻质量，以及免维护使用，可以完全植入轮胎内部工作，实现智能化胎压监测。

附图说明

图1为微型传感器外观结构示意图；

图2为传感器的剖面结构图；

图3为传感器的电路连接示意图。

其中：1多层复合弹性薄膜；2上层板；3微型天线；4底板；

11Si₃N₄层；12多晶硅层；13上电极层；14第一绝缘层；15下电极层；16声表面波器件；17第二绝缘层；31Si₃N₄层；32Si基底；161压电材料层；162叉指电极；163声表面波反射栅。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1～图3，一种无源无线微型胎压传感器，包括上层板和下层底板，上层板上设有对外部压力进行敏感的多层复合弹性薄膜，多层复合弹性薄膜中设有声表面波器件，有声表面波器件包括换能器和叉指电极，下层底板上设有与声表面波器件相耦合的微型天线。

进一步的，所述的多层复合薄膜包括上电极层和下电极层，上电极层和下电极层之间设有第一绝缘层，下电极层下方设有第二绝缘层内，声表面波器件设置在第二绝缘层内并通过电极层与微型天线相连接；声表面波器件的还包括设置在压电材料层上的声表面波反射栅。

声表面波器件由微型天线的耦合获得工作能量并产生振荡效应，在多层复合弹性薄膜表面形成一个稳定的声波场，外部压力（比如轮胎压力）作用多层复合弹性薄膜后引起其变形，变形直接作用于声表面波器件导致声波场属性改变，产生包含外部压力变化信息的声波；变化后的声波再经过声表面波器件，转化为无线信号并经微型天线发出，供收器接端接收并处理。

当多层复合弹性薄膜变形直接作用于声表面波器件后，变形导致声表面器件的叉指电极之间的间距、以及上电极层和下电极层之间距离的变化，改变声表面波器件的谐振中心频率，声表面波器件的谐振中心频率经微型天线发送后，测量谐振中心频率的变化量，得到相应的压力变化值。

具体的，参见图1～图3，无源无线微型胎压传感器中，多层复合弹性薄膜1为外凸型，从外到内依次包括：Si₃N₄层11、多晶硅层12、上电极层13、第一绝缘层14、下电极层15和第二绝缘层17，声表面波器件16设置在第二绝缘层17中。

其中，第一绝缘层14和第二绝缘层17为Parylene绝缘层，用于多层复合弹性薄膜1的成型及电极绝缘，Si₃N₄层31和多晶硅层12实现键合封装和外部保护，上电极层13和下电极层15均以铝作为电极材料。声表面波器件的压电材料层由ZnO、SiO₂或LiNbO₃压电材料制作。所述的第二绝缘层17与底板4相连接，底板4上设有Si基底32和Si₃N₄层31。

外凸结构可以为矩形、圆形、多边形等多种形状，多层复合弹性薄膜制作需对不同材料的工艺分别控制，经过多次沉积、退火、刻蚀等工艺完成薄膜加工。

外凸型多层复合弹性薄膜，用于对外部压力进行敏感。在多层复合弹性薄膜中集成的声表面波器件，底板上的用于无线通讯的微型天线，同生表面波器件一起完成能量耦合和信息传输。

多层复合薄膜结构用于压力测量。外界压力变化后，由于各部分结构材料刚性的差异较大，压力作用将引起薄膜变形。这种变形直接作用于声表面波器件，改变其工作特性。

声表面器件通过微型天线与接收器端的天线的无线电磁能量耦合，将接收器端的天线发出的电能耦合转化为声表面波的机械振动能，并获得工作所需能量，产生稳定的振荡效应，形成一个沿薄膜表面传播的声波场。

薄膜变形将导致声表面器件叉指电极的间距和两组电极之间距离变化，从而改变声表面声波的谐振频率。谐振频率改变后的包含了压力变化信息的声波，将再次经过声表面波器件（声表面波换能器），以无线信号方式经微型天线发射出去。而且声表面波器件同时又作为无线发射器，同底板上制作的微型天线一起实现能量获取和信息传输。接收器端的测量系统获取了谐振频率的变化量，即可计算出相应的压力变化值。

采用微制作工艺制作带来的小体积和轻质量，以及免维护使用，可以完全植入轮胎内部工作，实现智能化胎压监测。

所述的无源无线微型胎压传感器植入轮胎内部，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输。传感器依赖自身与外界信号的能量耦合，获取工作所需能量。外部胎压的波动，引起作为敏感部件的杯形薄膜结构变形，并最终导致传感器输出量的变化。传感器的输出经过天线，以无线信号形式发射出去，完成测量过程。

Claims

1.一种无源无线微型胎压传感器，其特征在于，包括上层板和底板，上层板上设有对外部压力敏感的多层复合弹性薄膜，多层复合弹性薄膜中设有声表面波器件，声表面波器件包括压电材料层和叉指电极，下层底板上设有与收器接端的监测天线相耦合的微型天线。

2.如权利要求1所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的多层复合薄膜包括上电极层和下电极层，上电极层和下电极层之间设有第一绝缘层，下电极层下方设有第二绝缘层内，声表面波器件设置在第二绝缘层内并通过电极层与微型天线相连接；声表面波器件的还包括设置在压电材料层上的声表面波反射栅。

3.如权利要求2所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，声表面波器件由微型天线的耦合获得工作能量并产生振荡效应，在多层复合弹性薄膜表面形成一个稳定的声波场，外部压力作用多层复合弹性薄膜后引起其变形；变形直接作用于声表面波器件导致声波场属性改变，产生包含外部压力变化信息的声波；变化后的声波再经过声表面波器件，转化为无线信号并经微型天线发出，供收器接端接收并处理。

4.如权利要求3所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，当多层复合弹性薄膜变形直接作用于声表面波器件后，变形导致声表面器件的叉指电极之间的间距、以及上电极层和下电极层之间距离的变化，改变声表面波器件的谐振频率，声表面波器件的谐振频率经微型天线发送，测量谐振频率的变化量，得到相应的压力变化值。

5.如权利要求1所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的多层复合薄膜为外凸型，从外到内依次包括：Si₃N₄层、多晶硅层、上电极层、第一绝缘层、下电极层和第二绝缘层，声表面波器件设置在第二绝缘层中。

6.如权利要求5所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的第一绝缘层和第二绝缘层为Parylene绝缘层，用于多层复合薄膜的成型及电极绝缘，Si₃N₄层和多晶硅层实现键合封装和外部保护，上电极层和下电极层均以铝作为电极材料。

7.如权利要求5所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的多层复合薄膜外凸为矩形、圆形或多边形。

8.如权利要求5所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的第二绝缘层与下层底板相连接，下层底板包括Si₃N₄层和Si基底。

9.如权利要求1所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的压电材料层由ZnO、SiO₂或LiNbO₃压电材料制作。

10.如权利要求1所述的无源无线微型胎压传感器，其特征在于，所述的无源无线微型胎压传感器植入轮胎内部。