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压力传感器和通信系统的开发理论和线性分析


发布日期:[2018-09-06]    作者:昊明压力传感器厂家


新的道路车辆和汽车压力传感器是装备有与轮胎压力测量系统(TPMS)在车辆。本文介绍了理论分析和直接式轮胎非线性行为压力传感器在车辆运行。一个坚固的压力传感器薄膜压阻式压力传感器,设计是作为TPMS模块化的设计方法,其中TPMS的所有主要的部件可以连接在一起,易于集成,维护,和可替换性。这也可能导致减少更换成本以及保持线性的行为压力传感器的财产三维模型与材料性质进行分析;对模型计算的共振频率是24千赫, 灵敏度计算为1.2µV / V·kPa。我们的结果表明,薄膜技术传感器设计仍然是一个可行的解决方案,为车辆传感器和系统测量的发展

1。简介

在安全性和可靠性的汽车行业的趋势,有一种倾向测量压力使用专用传感器这是直接集成为一个监测系统的车辆,称为轮胎压力监测系统(TPMS)。该系统涉及多个压力传感器和组件的有效测量和通知司机的轮胎压力。在本文中,我们提出了一种薄膜直接型压力传感器以系统为基础的轮胎压力测量和监控以防止与所需的部件更换可能崎岖TPMS的一些可能的事故。一个行为是在2000年推出的辅助驱动轮胎与汽车安全的主要目的美国压力信息使用TPMS。最后的规则是在2005年6月出版,TPMS是新车自2007年9月[强制一]。同时,在欧盟,TPMS是减少排放和提高燃油经济性技术(通过改善滚动阻力)和安全。这是强制性的组件的所有新车2014在欧洲国家一般来说,有两种类型的直接和间接式TPMS监测系统。这种直接的类型,或者直接压力传感器TPMS,指的是使用A压力传感器直接安装在车轮或汽车[轮胎内三]。the压力轮胎内测量使用压力传感器与压力信息被发送无线(无线电发射机)车辆的警告和/或通知司机下或轮胎充气。

作为一种前沿技术,早些时候,间接式测量发现是实现快速的方法和使用的汽车速度等参数间接测量车压力我知道[布尔福斯四]。同时,直接式测量系统大多是在今天的汽车行业;因此我们提出了一个技术的设计和理论分析压力传感器这种直接式测量系统,本文给出了直接式TPMS技术要求,探讨其压力传感器之后,我们总结了我们的仿真结果,设计参数和线性行为。以前的研究工作在现场进行压阻薄膜和微机电系统(MEMS)压力传感器重点通过分析如掺杂浓度、几何尺寸参数,优化设计,制造工艺,和隔膜的形状。本文分析了传统的锯齿形图案的金属应变计在薄膜与MEMS技术。

因此,压敏电阻器的电阻率的变化与应变。隔膜是用于测量径向和切向应力或应用压阻元件的应变。这个压力传感器可制作大批量低价格减少尺寸和使用薄膜和崎岖的MEMS制造工艺。其他传感器TPMS,加速度计和温度,也可以在一个单一的住房相同的不锈钢材料研制。这个传感器可以加装独立的电子和电池模块,这将便于更换所需要的模块,从而降低整体成本如图所示一

压力传感器成本

                           图1该方案对TPMS的降低更换成本。

本文的安排如下。区域二是对TPMS的概况及其所需的系统性能。区域三解释压力传感传输方法和数据段;四讨论了压力传感器设计和材料特性。区域五给出理论和线性直接型传感器的分析和仿真结果,在第六在截面的误差分析和敏感性七。区域八归纳和总结了所有的作品。

2。系统的性能要求

直接式TPMS模块通常采用基于MEMS技术的压力,加速度计和温度传感器、单片机、模拟数字转换器、数字射频接口、天线、电池及电源管理系统。它可能不包括能量收集系统作为显示。直接型传感器进一步分为高压线系统和低线系统的方式传输数据。

轮胎压力管理系统

                                  图2概述轮胎压力管理系统

加速度计作为车轮的运动探测器,传输的数据只有在车辆行驶时延长电池寿命。远程无钥匙进入系统的车辆射频接收机用于接收系统信号;部分车辆的TPMS额外的接收器。温度的主要目的传感器是轮胎的校正压力测量基于理想气体定律。设计被证明是电路的ESD和EMC。所需的参数或TPMS设计表中给出一特殊的激活或触发的工具是需要力量的TPMS传感器广播信号和技术人员使用专用工具安装和检查系统。

压力传感器数据传输

表1TPMS设计规范

表1TPMS设计规范

压力传感器频带连接
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轮胎监测系统检测20分钟内警告司机的时候压力在轮胎下面的汽车制造商至少25%级推荐,压力传感器通常与低功耗CMOS技术制造的。射频传输消耗通常比大五倍压力传感消费。为了降低功耗,所有的组件包括压力传感器是专为低功耗器件。通常所有的TPMS传感器集成在一个衬底减少尺寸和功耗[六,八]。MEMS技术提供了低功耗压力传感器用于TPMS主要电容式和压阻式。作为测量压力相比于制造商推荐的仪器用于填充压力是不是很准确,对于精度要求压力传感器可以保持高达0.5± PSI(3.45 kPa)。

TPMS传感器可以安装到车轮在许多方面。他们可以安装在轮胎阀后干或附加使用粘合剂或连接到一个乐队,然后安全地包裹在轮胎边缘,通常在降级区。the传感器整个TPMS包安装在轮胎经验轮胎的环境条件,他们必须足够坚固的土质,砾石,恶劣的环境下生存,尤其是,数据可靠的土路。

3.传感与数据传输

最重要的是,直接式TPMS系统使用超(呃)频率的无线电中的“无证”的ISM频段(工业、科学和医学)传输数据,常常在434 兆赫(欧洲)和315 兆赫在世界上的很多国家如表所示一。一些系统需要单独的低频接收机或天线附近每轮可以在125 kHz的需求 每个轮胎获得信息。而比较常用的,同时有一个接收器,所有的车轮接收数据。因此,该接收器也是常用的遥控钥匙(RKE)系统,这也通常采用超高频无线电传输。一些TPMS需要车辆将同一序列号识别编程TPMS,TPMS传感器放置在轮胎可以从梦中醒来的两种技术,根据不同的系统和电路的应用。一是如果触发所产生的车辆和TPMS相匹配的ID来识别轮胎所要求的数据。二是内部定时器,可编程控制,经过一定的时间间隔发送数据。在这之后,加速度计的数据被用来存取车辆是否移动或不;在内部定时器的情况下,如果车辆不动然后TPMS又如图放在睡眠模式三

压力传感器三维立体图

                    图3块图(TPMS传感器在轮胎唤醒、数据测量、传输。

唤醒过程完成后的微控制器(MCU)获得的数据从压力传感器采用模拟数字转换器(ADC)和使用温度的信息,这种数据的处理和要求的超高频传输频带传输。建议压力传感器压敏电阻,需要一个电源,可以在需要的时候提供电源管理电路。惠斯通电桥的输出差分电压信号;这小的差分电压需要放大到ADC的敏感性增加和滤波去除噪声,如图所示要求的水平四。在数字数据的温度信息的转换是通过单片机利用算法居住在永久记忆计算温度

                     图4块图:传感器频带连接

4。设计性能

精确的数学分析,需要对所有的设计参数,包括温度和材料非线性的考虑。

4.1传感方法和技术

压力传感器设计由圆形不锈钢膜片与薄的SiO二绝缘层沉积在顶部的机械变形下的应用经验压力。压阻式应变计材料沉积在惠斯通电桥配置上连续测量空气作用在膜片的应变压力如图所示五

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图5三维立体图:查看压力传感器

为了确定的优化设计传感电阻包括位置、方向、长度、固体力学的传统理论进行了研究。由于所需的线性响应,这些压力传感器设计是在小挠度区操作。

4.2。隔膜和绝缘

膜片的厚度可以变化与长寿,灵敏度,和输出电压参数压力传感器【十一,十三]。不锈钢是用于压力容纳任何媒体,将不会攻击它的传感器[八,十四]如液压油、制动液。SiO二作为绝缘材料使用上的膜片将不锈钢和压阻层。

4.3。金属触点

4铜接触片上使用的压阻材料,两电源电压输入和两传感器输出如图四和五

4.4。压敏电阻

压敏电阻是蛇纹石或之字形像一般的金属应变仪的设计是有一个高的长宽比和增加电阻值。压阻式元素需要增加的灵敏度随着使用电桥电路精确测量高电导。

4.5。材料的性能

P型掺杂的硅材料用于压敏电阻的仿真分析。刚度系数(CIJ)(Cij)与压阻系数(问IJ)(πij)值的特定\P为电阻型方向使用的材料见表二,占主导地位的压阻系数N-P型压敏电阻,分别

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表2材料性能分析

表2材料性能分析

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SiO二作为绝缘材料。表三列举了一些性能的膜片,绝缘材料,用于模拟金属接触片。

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表3材料的性能

表3材料的性能

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4.6。制造传感器

这个传感器是专为薄膜传感器,在压敏电阻器可以用丝网印刷工艺的陶瓷基板制作,但加工精度是有限的,压敏电阻的宽度误差可以达到0.5 毫米。硅薄膜的离子注入掺杂溅射技术,以利用在晶片加工生产能力。MEMS工艺还可用于制造每一步一步的过程(从涂料,定位,发展,和键合)需要创建的机械结构,在微观层面的制造技术是必不可少的。一个典型的光刻工艺[十二,十四],这种技术是发展暴露的抵制;然而,这种MEMS设计现状涉及到不同的温度和显影时间和影响的关键结构几何廓形。此外,这一发展过程中,用有限元模拟应变增长相关的严重的计算负担,有限元网格不精过[这是很重要的

为了证明这一说法,这些元素一般不符合相关要求的不可压缩塑性应变。这是有关要求的网格细化水平几何建模时,压敏电阻的可塑性关闭平面应力和平面应变条件下。

5。理论分析

应用压力产生偏转导致电阻率变化的隔膜。例如,厚度,T,横隔膜是由以下方程确定:

T=零点七五PR二o(一−v二)EoE⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯√,t=0.75PRo2(1-v2)eoE,
(1)

哪里P是指应用压力,RoRo是隔膜的半径,Eoeo是敏感的,和v是泊松比。假设一个压力大学1400 kpa(~ 200 psi),最高压力成为感觉到通过TPMS如表所示一,一个5 mm光阑半径,和2的灵敏度 mV/V,厚度分别为0.24 毫米,从而导致50.2膜片中心挠度μ24.2 千赫m和共振频率,并在隔膜中心的径向应变−2 毫米/米SiO二绝缘材料具有相同的直径与厚度50隔膜μ压敏电阻应变计是十M.μm厚的特点压力传感器在信噪比(SNR),分辨率,灵敏度,上下信号的限制,等等。我们进行了敏感性分析,以确定不仅权衡设定的应变计的特性中也对优化设计传感器。的灵敏度表明量的压力通过膜片传递到金属应变计是从两个方面进行了分析,压力和应变灵敏度

电阻R压敏电阻是由一个矩形


6。仿真结果

维模型,利用ANSYS有限元软件分析所述的材料特性。元素类型solid226用于压敏电阻、solid231 4金属触点,并采用Solid187隔膜和绝缘。胶命令用于绑定到一起的元素,同时保持其体积和材料性能完好。不同压力应用的基础上传感器和尺寸约束应用于隔膜的边缘,而不考虑材料非线性。对直接型压敏电阻器的尺寸是这样设计的,在每个压敏电阻电阻类似于惠斯登电配置其他电阻器。压敏电阻的厚度为10μ米,宽度为100μM,和每个电阻长度31 毫米。膜片的厚度为 毫米,直径10 毫米。隔膜,不同厚度的压阻元件、隔热层进行了分析;隔膜的厚度计算截面五确定在最低要求的输出电压和信噪比,似乎可以通过现有的COTS(商用)电子。虽然不太厚会导致更多的增加的敏感性会降低坚固的传感器传感器只有五 V直流电压在两输入铜垫。输出电压在剩下的两个铜垫根据惠斯通电桥配置。

说明了在应用膜片的偏转压力

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图六在隔膜和计偏转压力

横膈膜中心图七,和中心点是经验的最大位移响应的应用压力。模拟差分输出电压如图所示八,和输出电压低,需要放大。的设计和尺寸传感器被选择以这样的方式来保持数据的数字七和八是直线;这有助于减少模块化设计的计算开销和简单的接口电路。

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图7与膜片偏转压力

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图8输出电压与压力

输出电压可以增加通过仔细研究图应变形成九从软件。电阻的位置和方向可以改变,获得优化的模式和位置在惠斯登电配置四压敏电阻可以产生的最大输出电压。

直接式全机械应变分布传感器

图9在直接式全机械应变分布传感器

7。误差分析

材料应该在弹性极限[执行十七,十九]。制服压力施加在隔膜导致隔膜的位移。应用压力引起的传感器居住在压阻材料圆顶造成应力

在这种情况下,的fmaxfmax⁡利用ANSYS计算模型的共振频率是24千赫的 。敏感的传感器计算1.2μV / v·kpa

压敏电阻的使用单一尺寸31189 μm×100 μm×10 μm31189 μm×100 μm×10 μm,使用方块电阻(SR)25 Ω/平方值;一个压敏电阻的电阻

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

热噪声电压或约翰逊噪声的功率谱密度(V二for a single压敏电阻/赫兹)

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

哪里kBkB为玻尔兹曼常数,T是温度,R是压敏电阻电阻,fmaxfmax⁡是谐振频率,和fminfmin⁡可设置1 赫兹。一个平衡的惠斯登电桥约翰逊等于单个电阻噪声,总体均方根约翰逊噪声电压的惠斯通电桥1.755μv.

这个1/f1/f噪声是主要的噪声硅压敏电阻[十二,二十六]和计算

压敏电阻的温度依赖性;在上面的配置,所有的电阻将温度同样受到影响,因此温度的影响被取消了。哪里l长度,W是宽度,N是掺杂浓度(10十八),α=10−5α=10-5压敏电阻为外延,Vin=5Vin=5V的1/f1/f噪声的计算公式为8.084×10−168.084×10-16v二,和噪声电压的计算2.84×10−82.84×10-8v.

在这种情况下,允许的最大挠度小于膜的膜厚20%。因此,在我们的案例中,50的总挠度μM是小于。仿真结果也给了偏置电压产生在设计电阻尺寸差为0.20 V.

8。结论

发展传感器和严格的标准符合性测试电路的要求和电气和机械工程知识的理解。有效地使用商业上可用的软件工具,在本文中,我们就可以确定压力传感器的线性行为有关的电气和机械性能特点。

一个坚固的压力传感器作为一个计算分析和线性度的方法是直接式TPMS设计,其中TPMS的所有主要的部件可以连接在一起,易于集成,维护,和可替换性。计算模型和直接型线性思考传感器研究了MEMS传感器TPMS应用优化结构;直接式传感器可以制造具有线性输出的轮胎经历恶劣的环境。