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优质期刊推荐汽车胎压监测系统无源SAW温度压力传感器的研究--《哈尔滨工业大学》2009年博士论文
汽车胎压监测系统无源SAW温度压力传感器的研究
【摘要】：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。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：TP212.1【目录】：
Abstract6-13
第1章 绪论13-34
1.1 课题背景和意义13-15
1.2 TPMS 参数测量实现方法15-22
1.2.1 直接式TPMS 和间接式TPMS 比较分析15-18
1.2.2 有源TPMS 和无源TPMS 比较分析18-22
1.3 TPMS 无源SAW 传感器研究现状22-32
1.3.1 SAW 工作机理23-24
1.3.2 无源SAW 传感器分类24-28
1.3.3 无源SAW 温度压力传感器研究状况28-32
1.4 本文主要研究内容32-34
第2章 无源SAW 传感器结构设计及理论分析34-49
2.1 引言34
2.2 SAW 延迟线传感器测量理论34-37
2.2.1 延迟线SAW 温度传感器测量理论35-36
2.2.2 延迟线SAW 压力传感器测量理论36-37
2.3 新型无源SAW 温度压力传感器设计及测量理论分析37-48
2.3.1 新型无源SAW 温度压力传感器结构设计37-42
2.3.2 无源SAW 温度压力传感器测量理论新分析方法研究42-48
2.4 本章小结48-49
第3章 无源SAW 温度压力传感器原型制作49-66
3.1 引言49
3.2 无源SAW 传感器压电基底材料选择49-53
3.2.1 SAW 压电基底材料49-52
3.2.2 无源SAW 温度压力传感器压电基底材料选择52-53
3.3 SAW 传感器中IDT 和反射器的参数设计53-60
3.3.1 SAW 传感器中IDT 和反射器结构53-55
3.3.2 SAW 传感器中IDT 和反射器工作原理55-58
3.3.3 SAW 传感器中IDT 和反射器详细参数58-60
3.4 无源SAW 温度压力传感器MEMS 工艺和封装60-65
3.4.1 无源SAW 温度压力传感器MEMS 工艺特点61-63
3.4.2 无源SAW 温度压力传感器封装实现方法63-65
3.5 本章小结65-66
第4章 无源SAW 温度压力传感器测试系统66-86
4.1 引言66
4.2 TPMS 传感器测试系统结构和工作原理66-68
4.3 TPMS 传感器测试系统器件性能参数68-70
4.3.1 RF 信号收发装置68-69
4.3.2 温度和压力调节控制装置69-70
4.3.3 数据采集发送装置70
4.3.4 测试软件70
4.4 信号收发时序原理分析70-84
4.4.1 RF 脉冲回波信号的模型73-76
4.4.2 RF 脉冲查询信号宽度对传感器的影响76-79
4.4.3 RF 脉冲查询信号频率对传感器的影响79-81
4.4.4 RF 脉冲查询信号宽度对传感器信号测量的影响81-84
4.5 本章小结84-86
第5章 无源SAW 温度压力传感器测试结果及分析86-97
5.1 引言86
5.2 无源SAW 传感器RF 脉冲回波信号相位测量86-93
5.2.1 无源SAW 传感器RF 脉冲回波信号分析86-88
5.2.2 无源SAW 温度压力传感器回波信号I/Q 数据处理方法88-89
5.2.3 无源SAW 温度压力传感器回波信号相位信息获取89-93
5.3 无源SAW 温度压力传感器性能测试93-96
5.4 本章小结96-97
参考文献99-108
攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果108-110
致谢110-111
个人简历111
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