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              壓力傳感器和通信系統的開發理論和線性分析


              發布日期:[2018-09-06]    作者:昊明壓力傳感器廠家


              新的道路車輛和汽車壓力傳感器是裝備有與輪胎壓力測量系統(TPMS)在車輛。本文介紹了理論分析和直接式輪胎非線性行為壓力傳感器在車輛運行。一個堅固的壓力傳感器薄膜壓阻式壓力傳感器,設計是作為TPMS模塊化的設計方法,其中TPMS的所有主要的部件可以連接在一起,易于集成,維護,和可替換性。這也可能導致減少更換成本以及保持線性的行為壓力傳感器的財產三維模型與材料性質進行分析;對模型計算的共振頻率是24千赫,?靈敏度計算為1.2μV / V·kPa。我們的結果表明,薄膜技術傳感器設計仍然是一個可行的解決方案,為車輛傳感器和系統測量的發展

              1。簡介

              在安全性和可靠性的汽車行業的趨勢,有一種傾向測量壓力使用專用傳感器這是直接集成為一個監測系統的車輛,稱為輪胎壓力監測系統(TPMS)。該系統涉及多個壓力傳感器和組件的有效測量和通知司機的輪胎壓力。在本文中,我們提出了一種薄膜直接型壓力傳感器以系統為基礎的輪胎壓力測量和監控以防止與所需的部件更換可能崎嶇TPMS的一些可能的事故。一個行為是在2000年推出的輔助驅動輪胎與汽車安全的主要目的美國壓力信息使用TPMS。最后的規則是在2005年6月出版,TPMS是新車自2007年9月[強制一]。同時,在歐盟,TPMS是減少排放和提高燃油經濟性技術(通過改善滾動阻力)和安全。這是強制性的組件的所有新車2014在歐洲國家一般來說,有兩種類型的直接和間接式TPMS監測系統。這種直接的類型,或者直接壓力傳感器TPMS,指的是使用A壓力傳感器直接安裝在車輪或汽車[輪胎內三]。the壓力輪胎內測量使用壓力傳感器與壓力信息被發送無線(無線電發射機)車輛的警告和/或通知司機下或輪胎充氣。

              作為一種前沿技術,早些時候,間接式測量發現是實現快速的方法和使用的汽車速度等參數間接測量車壓力我知道[布爾福斯四]。同時,直接式測量系統大多是在今天的汽車行業;因此我們提出了一個技術的設計和理論分析壓力傳感器這種直接式測量系統,本文給出了直接式TPMS技術要求,探討其壓力傳感器之后,我們總結了我們的仿真結果,設計參數和線性行為。以前的研究工作在現場進行壓阻薄膜和微機電系統(MEMS)壓力傳感器重點通過分析如摻雜濃度、幾何尺寸參數,優化設計,制造工藝,和隔膜的形狀。本文分析了傳統的鋸齒形圖案的金屬應變計在薄膜與MEMS技術。

              因此,壓敏電阻器的電阻率的變化與應變。隔膜是用于測量徑向和切向應力或應用壓阻元件的應變。這個壓力傳感器可制作大批量低價格減少尺寸和使用薄膜和崎嶇的MEMS制造工藝。其他傳感器TPMS,加速度計和溫度,也可以在一個單一的住房相同的不銹鋼材料研制。這個傳感器可以加裝獨立的電子和電池模塊,這將便于更換所需要的模塊,從而降低整體成本如圖所示一

              壓力傳感器成本

                                         圖1該方案對TPMS的降低更換成本。

              本文的安排如下。區域二是對TPMS的概況及其所需的系統性能。區域三解釋壓力傳感傳輸方法和數據段;四討論了壓力傳感器設計和材料特性。區域五給出理論和線性直接型傳感器的分析和仿真結果,在第六在截面的誤差分析和敏感性七。區域八歸納和總結了所有的作品。

              2。系統的性能要求

              直接式TPMS模塊通常采用基于MEMS技術的壓力,加速度計和溫度傳感器、單片機、模擬數字轉換器、數字射頻接口、天線、電池及電源管理系統。它可能不包括能量收集系統作為顯示。直接型傳感器進一步分為高壓線系統和低線系統的方式傳輸數據。

              輪胎壓力管理系統

                                                圖2概述輪胎壓力管理系統

              加速度計作為車輪的運動探測器,傳輸的數據只有在車輛行駛時延長電池壽命。遠程無鑰匙進入系統的車輛射頻接收機用于接收系統信號;部分車輛的TPMS額外的接收器。溫度的主要目的傳感器是輪胎的校正壓力測量基于理想氣體定律。設計被證明是電路的ESD和EMC。所需的參數或TPMS設計表中給出一特殊的激活或觸發的工具是需要力量的TPMS傳感器廣播信號和技術人員使用專用工具安裝和檢查系統。

              壓力傳感器數據傳輸

              表1TPMS設計規范

              表1TPMS設計規范

              壓力傳感器頻帶連接
              查看更大的版本

              輪胎監測系統檢測20分鐘內警告司機的時候壓力在輪胎下面的汽車制造商至少25%級推薦,壓力傳感器通常與低功耗CMOS技術制造的。射頻傳輸消耗通常比大五倍壓力傳感消費。為了降低功耗,所有的組件包括壓力傳感器是專為低功耗器件。通常所有的TPMS傳感器集成在一個襯底減少尺寸和功耗[六,八]。MEMS技術提供了低功耗壓力傳感器用于TPMS主要電容式和壓阻式。作為測量壓力相比于制造商推薦的儀器用于填充壓力是不是很準確,對于精度要求壓力傳感器可以保持高達0.5±?PSI(3.45?kPa)。

              TPMS傳感器可以安裝到車輪在許多方面。他們可以安裝在輪胎閥后干或附加使用粘合劑或連接到一個樂隊,然后安全地包裹在輪胎邊緣,通常在降級區。the傳感器整個TPMS包安裝在輪胎經驗輪胎的環境條件,他們必須足夠堅固的土質,礫石,惡劣的環境下生存,尤其是,數據可靠的土路。

              3.傳感與數據傳輸

              最重要的是,直接式TPMS系統使用超(呃)頻率的無線電中的“無證”的ISM頻段(工業、科學和醫學)傳輸數據,常常在434?兆赫(歐洲)和315?兆赫在世界上的很多國家如表所示一。一些系統需要單獨的低頻接收機或天線附近每輪可以在125 kHz的需求?每個輪胎獲得信息。而比較常用的,同時有一個接收器,所有的車輪接收數據。因此,該接收器也是常用的遙控鑰匙(RKE)系統,這也通常采用超高頻無線電傳輸。一些TPMS需要車輛將同一序列號識別編程TPMS,TPMS傳感器放置在輪胎可以從夢中醒來的兩種技術,根據不同的系統和電路的應用。一是如果觸發所產生的車輛和TPMS相匹配的ID來識別輪胎所要求的數據。二是內部定時器,可編程控制,經過一定的時間間隔發送數據。在這之后,加速度計的數據被用來存取車輛是否移動或不;在內部定時器的情況下,如果車輛不動然后TPMS又如圖放在睡眠模式三

              壓力傳感器三維立體圖

                                  圖3塊圖(TPMS傳感器在輪胎喚醒、數據測量、傳輸。

              喚醒過程完成后的微控制器(MCU)獲得的數據從壓力傳感器采用模擬數字轉換器(ADC)和使用溫度的信息,這種數據的處理和要求的超高頻傳輸頻帶傳輸。建議壓力傳感器壓敏電阻,需要一個電源,可以在需要的時候提供電源管理電路?;菟雇姌虻妮敵霾罘蛛妷盒盘?;這小的差分電壓需要放大到ADC的敏感性增加和濾波去除噪聲,如圖所示要求的水平四。在數字數據的溫度信息的轉換是通過單片機利用算法居住在永久記憶計算溫度

                                   圖4塊圖:傳感器頻帶連接

              4。設計性能

              精確的數學分析,需要對所有的設計參數,包括溫度和材料非線性的考慮。

              4.1傳感方法和技術

              壓力傳感器設計由圓形不銹鋼膜片與薄的SiO二絕緣層沉積在頂部的機械變形下的應用經驗壓力。壓阻式應變計材料沉積在惠斯通電橋配置上連續測量空氣作用在膜片的應變壓力如圖所示五

              figure

              圖5三維立體圖:查看壓力傳感器

              為了確定的優化設計傳感電阻包括位置、方向、長度、固體力學的傳統理論進行了研究。由于所需的線性響應,這些壓力傳感器設計是在小撓度區操作。

              4.2。隔膜和絕緣

              膜片的厚度可以變化與長壽,靈敏度,和輸出電壓參數壓力傳感器【十一,十三]。不銹鋼是用于壓力容納任何媒體,將不會攻擊它的傳感器[八,十四]如液壓油、制動液。SiO二作為絕緣材料使用上的膜片將不銹鋼和壓阻層。

              4.3。金屬觸點

              4銅接觸片上使用的壓阻材料,兩電源電壓輸入和兩傳感器輸出如圖四和五

              4.4。壓敏電阻

              壓敏電阻是蛇紋石或之字形像一般的金屬應變儀的設計是有一個高的長寬比和增加電阻值。壓阻式元素需要增加的靈敏度隨著使用電橋電路精確測量高電導。

              4.5。材料的性能

              P型摻雜的硅材料用于壓敏電阻的仿真分析。剛度系數(CIJ)(Cij)與壓阻系數(問IJ)(πij)值的特定\P為電阻型方向使用的材料見表二,占主導地位的壓阻系數N-P型壓敏電阻,分別

              Table

              表2材料性能分析

              表2材料性能分析

              查看更大的版本

              SiO二作為絕緣材料。表三列舉了一些性能的膜片,絕緣材料,用于模擬金屬接觸片。

              Table

              表3材料的性能

              表3材料的性能

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              4.6。制造傳感器

              這個傳感器是專為薄膜傳感器,在壓敏電阻器可以用絲網印刷工藝的陶瓷基板制作,但加工精度是有限的,壓敏電阻的寬度誤差可以達到0.5?毫米。硅薄膜的離子注入摻雜濺射技術,以利用在晶片加工生產能力。MEMS工藝還可用于制造每一步一步的過程(從涂料,定位,發展,和鍵合)需要創建的機械結構,在微觀層面的制造技術是必不可少的。一個典型的光刻工藝[十二,十四],這種技術是發展暴露的抵制;然而,這種MEMS設計現狀涉及到不同的溫度和顯影時間和影響的關鍵結構幾何廓形。此外,這一發展過程中,用有限元模擬應變增長相關的嚴重的計算負擔,有限元網格不精過[這是很重要的

              為了證明這一說法,這些元素一般不符合相關要求的不可壓縮塑性應變。這是有關要求的網格細化水平幾何建模時,壓敏電阻的可塑性關閉平面應力和平面應變條件下。

              5。理論分析

              應用壓力產生偏轉導致電阻率變化的隔膜。例如,厚度,T,橫隔膜是由以下方程確定:

              T=零點七五PR二o(一?v二)EoE???????????????????√,t=0.75PRo2(1-v2)eoE,
              (1)

              哪里P是指應用壓力,RoRo是隔膜的半徑,Eoeo是敏感的,和v是泊松比。假設一個壓力大學1400?kpa(~ 200?psi),最高壓力成為感覺到通過TPMS如表所示一,一個5?mm光闌半徑,和2的靈敏度?mV/V,厚度分別為0.24?毫米,從而導致50.2膜片中心撓度μ24.2?千赫m和共振頻率,并在隔膜中心的徑向應變?2?毫米/米SiO二絕緣材料具有相同的直徑與厚度50隔膜μ壓敏電阻應變計是十M.μm厚的特點壓力傳感器在信噪比(SNR),分辨率,靈敏度,上下信號的限制,等等。我們進行了敏感性分析,以確定不僅權衡設定的應變計的特性中也對優化設計傳感器。的靈敏度表明量的壓力通過膜片傳遞到金屬應變計是從兩個方面進行了分析,壓力和應變靈敏度

              電阻R壓敏電阻是由一個矩形


              6。仿真結果

              維模型,利用ANSYS有限元軟件分析所述的材料特性。元素類型solid226用于壓敏電阻、solid231 4金屬觸點,并采用Solid187隔膜和絕緣。膠命令用于綁定到一起的元素,同時保持其體積和材料性能完好。不同壓力應用的基礎上傳感器和尺寸約束應用于隔膜的邊緣,而不考慮材料非線性。對直接型壓敏電阻器的尺寸是這樣設計的,在每個壓敏電阻電阻類似于惠斯登電配置其他電阻器。壓敏電阻的厚度為10μ米,寬度為100μM,和每個電阻長度31?毫米。膜片的厚度為?毫米,直徑10?毫米。隔膜,不同厚度的壓阻元件、隔熱層進行了分析;隔膜的厚度計算截面五確定在最低要求的輸出電壓和信噪比,似乎可以通過現有的COTS(商用)電子。雖然不太厚會導致更多的增加的敏感性會降低堅固的傳感器傳感器只有五?V直流電壓在兩輸入銅墊。輸出電壓在剩下的兩個銅墊根據惠斯通電橋配置。

              說明了在應用膜片的偏轉壓力

              figure

              圖六在隔膜和計偏轉壓力

              橫膈膜中心圖七,和中心點是經驗的最大位移響應的應用壓力。模擬差分輸出電壓如圖所示八,和輸出電壓低,需要放大。的設計和尺寸傳感器被選擇以這樣的方式來保持數據的數字七和八是直線;這有助于減少模塊化設計的計算開銷和簡單的接口電路。

              figure

              圖7與膜片偏轉壓力

              figure

              圖8輸出電壓與壓力

              輸出電壓可以增加通過仔細研究圖應變形成九從軟件。電阻的位置和方向可以改變,獲得優化的模式和位置在惠斯登電配置四壓敏電阻可以產生的最大輸出電壓。

              直接式全機械應變分布傳感器

              圖9在直接式全機械應變分布傳感器

              7。誤差分析

              材料應該在彈性極限[執行十七,十九]。制服壓力施加在隔膜導致隔膜的位移。應用壓力引起的傳感器居住在壓阻材料圓頂造成應力

              在這種情況下,的fmaxfmax?利用ANSYS計算模型的共振頻率是24千赫的?。敏感的傳感器計算1.2μV / v·kpa

              壓敏電阻的使用單一尺寸31189?μm×100?μm×10?μm31189?μm×100?μm×10?μm,使用方塊電阻(SR)25?Ω/平方值;一個壓敏電阻的電阻

              R=SR×311.89=7797.25?Ω.R=SR×311.89=7797.25?Ω.
              (10)

              熱噪聲電壓或約翰遜噪聲的功率譜密度(V二for a single壓敏電阻/赫茲)

              V2J=4kBTR(fmax?fmin),VJ2=4kBTR(fmax?-fmin?),
              (11)

              哪里kBkB為玻爾茲曼常數,T是溫度,R是壓敏電阻電阻,fmaxfmax?是諧振頻率,和fminfmin?可設置1?赫茲。一個平衡的惠斯登電橋約翰遜等于單個電阻噪聲,總體均方根約翰遜噪聲電壓的惠斯通電橋1.755μv.

              這個1/f1/f噪聲是主要的噪聲硅壓敏電阻[十二,二十六]和計算

              壓敏電阻的溫度依賴性;在上面的配置,所有的電阻將溫度同樣受到影響,因此溫度的影響被取消了。哪里l長度,W是寬度,N是摻雜濃度(10十八),α=10?5α=10-5壓敏電阻為外延,Vin=5Vin=5V的1/f1/f噪聲的計算公式為8.084×10?168.084×10-16v二,和噪聲電壓的計算2.84×10?82.84×10-8v.

              在這種情況下,允許的最大撓度小于膜的膜厚20%。因此,在我們的案例中,50的總撓度μM是小于。仿真結果也給了偏置電壓產生在設計電阻尺寸差為0.20?V.

              8。結論

              發展傳感器和嚴格的標準符合性測試電路的要求和電氣和機械工程知識的理解。有效地使用商業上可用的軟件工具,在本文中,我們就可以確定壓力傳感器的線性行為有關的電氣和機械性能特點。

              一個堅固的壓力傳感器作為一個計算分析和線性度的方法是直接式TPMS設計,其中TPMS的所有主要的部件可以連接在一起,易于集成,維護,和可替換性。計算模型和直接型線性思考傳感器研究了MEMS傳感器TPMS應用優化結構;直接式傳感器可以制造具有線性輸出的輪胎經歷惡劣的環境。



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