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声表面波传感器及无源胎压监测模拟试验研究

作　者: 谭六喜
导　师: 刘胜；张鸿海
学　校: 华中科技大学
专　业: 精微制造工程
关键词: 胎压监测系统声表面波谐振器玻璃焊料直接数字合成
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 390次
引　用: 7次
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内容摘要

随着汽车拥有量的迅速增长和人们对汽车安全驾驶要求的提高,胎压监测系统逐渐成为汽车的必备配置。在研究目前国际市场上的轮胎压力监测系统优缺点以及国内外声表面波传感器研究状况的基础上,提出了基于声表面波传感技术的无源无线胎压监测系统。该系统不仅可以同时监测轮胎内部气体的压力和温度,还有无源、体积小、分辨率高等优点。本文对声表面波传感器的理论、设计、加工和封装进行了深入研究,并通过模拟试验对无源胎压监测方案进行了验证。论文首先进行声表面波传感器的理论研究。通过研究声表面波的传播特性以及声表面波传感器的工作原理,推导了声表面波速度变化的理论方程;研究了声表面波器件石英基片的特性;并依据石英基片的压力和温度的灵敏度系数、声表面波耦合系数和功率流等参数对传感器基片进行了优化选择。通过把叉指换能器的实际电场分布近似为纵、横场交替的一维场分布,分别建立了横场和纵场的等效电路模型,并在此基础上建立了叉指换能器的等效电路模型和反射器的等效电路模型;然后在叉指换能器和反射器等效电路模型的基础上建立了单端对声表面波谐振器的等效电路模型,为声表面波谐振器的内阻抗设计和网络匹配提供理论指导。然后进行了声表面波传感器的设计、加工和封装研究。在声表面波传感器理论研究的基础上,设计了可以测量轮胎压力和温度两个参数的双通道声表面波传感器,并用有限元法对传感器的谐振器进行了优化;分析了声表面波传感器的结构设计参数,包括谐振腔长度、叉指换能器、反射器的参数以及金属镀膜设计等;并依据传感器的等效阻抗特性模型设计了压力传感器芯片参数。研究了声表面波传感器的加工工艺流程,并依据相应的工艺加工了传感器芯片;设计了低应力的两层全石英封装结构,并用超声波设备制作了封装的石英盖板;通过对低温玻璃焊料和环氧胶的键合工艺研究,为传感器设计了不同键合形式的封装;并利用氦质谱仪和六轴微力测试平台分别对传感器进行了泄漏率检测实验和剪切强度实验。其次进行了测试电路、天线和匹配网络的研究。通过对传统测量电路系统构成的分析,设计了一次变频的系统构成方案;测量系统电路通过采用直接数字频率合成、提高系统隔离度和等幅自动增益控制放大等技术手段提高检测精度。通过对天线的特性指标和使用环境的研究,设计了变形的偶极子天线;通过分析声表面波传感器和天线的阻抗特性,设计了合理的匹配网络。最后设计了模拟试验对天线的通讯距离、增益等性能以及传感器的阻抗特性、回波信号和压力、温度响应等特性进行了测试。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-29
  1.1 胎压监测技术的发展概况  11-20
  1.2 声表面波技术的发展概况  20-24
  1.3 轮胎压力监测系统国内外研究概况  24-26
  1.4 市场应用前景  26-27
  1.5 研究内容和论文安排  27-29
2 声表面波传感器工作原理  29-57
  2.1 引言  29-30
  2.2 声表面波的传播特性  30-32
  2.3 声表面波的工作原理  32-45
  2.4 传感器压电基片的优化选择  45-55
  2.5 本章小结  55-57
3 声表面波传感器的阻抗特性  57-96
  3.1 引言  57
  3.2 声表面波叉指换能器的电路模型  57-82
  3.3 声表面波反射器的电路模型  82-92
  3.4 声表面波谐振器的电路模型  92-95
  3.5 本章小结  95-96
4 声表面波传感器的设计  96-109
  4.1 引言  96-98
    4.1.1 声表面波延迟线  96-97
    4.1.2 声表面波谐振器  97
    4.1.3 声表面波振荡器  97-98
  4.2 传感器的工作机理  98-100
  4.3 胎压传感器膜片的设计  100-104
  4.4 声表面波谐振器设计  104-107
  4.5 本章小结  107-109
5 声表面波传感器的制作  109-125
  5.1 引言  109-110
  5.2 声表面波传感器的制作  110-114
  5.3 声表面波传感器的封装  114-119
  5.4 声表面波传感器封装的检测  119-123
  5.5 本章小结  123-125
6 测量系统的硬件电路设计  125-155
  6.1 引言  125-126
  6.2 系统分析  126-129
  6.3 硬件系统中关键技术设计  129-139
  6.4 天线的研究  139-154
  6.5 本章小结  154-155
7 试验研究  155-167
  7.1 引言  155-156
  7.2 传感器的性能测试  156-158
  7.3 天线的性能测试  158-160
  7.4 传感器的温度和压力特性测试  160-166
  7.5 本章小结  166-167
8 总结与展望  167-170
  8.1 全文总结  167-168
  8.2 论文工作的创新点  168
  8.3 展望  168-170
致谢  170-171
参考文献  171-183
附录1：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录  183-184
附录2：作者在攻读博士学位期间申请的专利目录  184

声表面波传感器及无源胎压监测模拟试验研究

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