汽车胎压监测系统无源SAW温度压力传感器的研究
本论文针对轮胎压力监测系统对传感器的具体需求，对轮胎压力监测系统中核心器件传感器的设计、分析、优化和检测方法进行了系统而深入的研究，提出一种新型无源SAW温度压力传感器的设计方法。研究内容主要包括以下几个方面： 首先，本文对基于SAW延迟线理论的温度压力传感器结构设计方法进行了系统的研究。以SAW延迟线理论为基础，针对传感器需要同时测量温度和压力两个物理量的要求，给出了一种有别于传统SAW延迟线传感器结构的设计方法。用双向反射器配置方案对传感器进行设计，即将反射器放置在IDT产生的SAW传输路径两侧，这样的结构可以使得SAW能量充分运用，传感器RF脉冲回波信号强度有所提升和信噪比高的优点。这种结构设计为延迟线型SAW传感器提供一种新的设计思路，可扩展用于两个以上物理量检测的SAW传感器设计中。根据无源SAW传感器的设计结构，用基于SAW延迟线型传感器的传感原理进行理论分析，在传感器温度压力参数计算中引入权重因子的概念，实现用权重因子的方法对压力的量测数据进行温度补偿，推导出温度压力和SAW传感器RF脉冲回波信号相位之间的函数关系，从而在理论上证明，可以通过本研究设计的无源SAW传感器对温度压力两个物理量同时实现精确测量。 然后，对无源SAW传感器的压电基底材料和MEMS加工工艺做深入细致研究，通过对用于SAW的压电基底材料各项性能参数的分析比较，结合本文设计无源SAW传感器需要测量温度和压力的具体需求，最终选定温度系数好、机电耦合系数高、并且具有大批量生产能力和材料稳定性能的YZ切铌酸锂作为传感器的压电基底材料。通过对SAW传感器工作的理论分析给出传感器加工需要的详细参数，经MEMS的表面微加工工艺加工出传感器基片。 最后，对传感器的RF脉冲信号分析方法做详细研究，分析了RF脉冲信号特性，讨论不同RF脉冲访问信号宽度对传感器RF脉冲回波信号的影响，讨论不同RF脉冲访问信号频率对传感器测试数据的影响，分析了产生这些影响的原因。通过详细分析，给出获得传感器最佳RF脉冲回波信号的理论分析方法，并用在传感器的测试中。通过对所设计传感器原型进行测试分析，传感器的实际测试结果和理论分析数据相吻合，验证了理论分析的正确性，并且这种传感器结构可以提升同类型传感器返回信号的强度，有利于对信号的后续处理分析。 本文研究采用从理论建模入手，进行计算仿真，构建TPMS系统传感器测试平台，并对所设计传感器进行实物加工测试，修正和完善理论模型。通过反复理论建模、计算仿真和实验分析的研究方法，优化无源SAW温度压力传感器的性能指标，实现无源SAW传感器对温度压力信号的准确采集、分析与处理。 和现有用于TPMS系统中的有源传感器相比，所设计的无源SAW温度压力传感器在进一步完善优化后具有结构简单、体积小、重量轻不易损坏等显著优点，可以用在TPMS中作为传感装置检测轮胎内的温度压力数据，随着人们对TPMS系统的日益关注，TPMS的市场需求量亦会不断扩大。本文基于SAW延迟线理论的分析研究，不仅可以用在温度压力传感器的设计中，还可以用在SAW传感器对其它物理量的检测中，用来补偿温度对器件造成的影响，这种理论分析方法具有一定的通用性。
汽车胎压监测系统;无源SAW温度压力传感器;结构设计;温度补偿
哈尔滨工业大学
博士
控制科学与工程
李泽湘
2009
中文
U467.4;U463.341
111
2013-03-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）