专利名称：一种电容式微型胎压传感器的制作方法
一种电容式微型胎压传感器技术领域
本发明属于胎压传感器技术领域，涉及一种电容式微型胎压传感器。
背景技术：
胎压监测系统通过监视轮胎内压力的变化，通过预警来预防爆胎事故的发生，以保护车辆行驶的稳定和驾乘人员的安全。胎压监测传感器则是整个系统中的核心部件，其工作性能直接决定了监测系统的准确性和可靠性。按照配置情况，可将胎压传感器分为有源式和无源式两种。有源式传感器需要附带电池供电，以满足传感器工作的能量需要；无源式传感器则依赖外部能量耦合进行工作。
目前，市场上商用的胎压传感器都为有源式，即将压力传感器、电源、微型处理器、 及无线通讯模块集成封装起来，安装于轮辋内或轮胎气嘴上。由于其在外部附加的安装方式，在轮胎维修、调换过程中容易造成气嘴或发射模块的损坏，使胎压监测系统失效。其次， 内置电源模块供系统进行胎压测量、信号调制、无线通信等，因而电池的工作寿命必须满足一定的标准和要求。由于轮辋的屏蔽作用和系统待机，导致电池电量快速消耗，形成巨大的浪费。制造、更换电池所带来的环境污染也是一个不可忽视的因素。有源式胎压传感器由于需要内置电池提供能量，体积和重量都比较大，安装不便且寿命受限、功能单一，更换电池导致使用维护成本高、并随之带来了环境污染问题，已经不能满足节能、环保的新技术标准和要求，
无源传感器的优势在于无需内置电源模块，具有体积小、成本低、寿命长的优点， 最终实现植入式安装和免维护使用，是下一代胎压监测系统的发展方向，无源无线的工作方式，克服了内置电池的使用寿命限制，降低了系统的制造和维护成本，减少更换电池带来的环境污染。由于体积小和免维护性，可以实现植入轮胎安装，将“on-rim”安装转变为 “in-tire”模式，解决了胎压传感器的在轮辋(气嘴)上的安装问题，减少轮胎维修带来的传感系统容易损坏的问题。同时，还可以提高轮胎的互换性，避免了胎压传感系统在轮胎更换、调换后需要重新设定的问题。可植入式安装方式，不仅便于安装和维护，也是实现智能轮胎主要研究目标和发展方向。发明内容
本发明解决的问题在于提供一种电容式微型胎压传感器，能够植入轮胎内部工作，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输，具有体积小、质量轻、成本低、免维护的优点。
本发明是通过以下技术方案来实现
—种电容式微型胎压传感器，包括上层板、支撑板和下底板，上层板上设有对压力敏感的多层复合薄膜，多层复合薄膜中设有电容上极板；支撑板的上表面设有电容下极板， 电容上极板、电容下极板形成的检测电容；下底板上设有相连接的声表面波器件和微型天线，声表面波器件包括压电材料和两组叉指电极，其中一组叉指电极与微型天线相连接，为3通讯端；另一组叉指电极分别与电容上极板、电容下极板相连接，为测量端。
所述外界压力作用引起多层复合薄膜变形，此变形引起检测电容的电容性负载以及检测电路的输出信号变化；检测电容作为测量端电路的负载，其数值变化直接导致测量端电路输出包含压力变化的信息；该信息经过声表面波器件变换为无线信号，并经微型天线发送出去，供接收器端接收并处理。
当微型天线接收到外部工作脉冲信号，声表面波器件从天线耦合中的高频信号中获取工作能量，并由通讯端开始在声表面波器件上产生振荡声波场，声波场传播至测量端后，重新变化为测量电路的振荡信号，用于压力测量；
外部压力变化引起检测电容变化，并最终导致振荡信号的特性发生改变，完成测量过程；包含了外部压力信息的测量信号，再次由测量端进入声表面波器件，并在通讯端转变为无线信号，经过微型天线发送回接收器接接收并处理。
所述的电容式微型胎压传感器依赖微型天线与接收器端的天线的无线电磁能量耦合，将接收器端的天线发出的电能耦合转化为声表面波的机械振动能，并获得工作所需倉tfi。
所述的多层复合薄膜向外凸起呈杯型，并在上层板、支撑板之间为电容下极板留有凹坑；
支撑板的下表面也设有凹坑，为声表面波器件和微型天线留有封装孔隙；支撑板上还设有供电容上极板、电容下极板与声表面波器件相连接的通孔。
所述的多层复合薄膜从外到内依次包括Si3N4层、多晶硅层、第一绝缘层、导线层、第二绝缘层，电容上极板设置在导线层与第二绝缘层之间；
多层复合薄膜外凸为矩形、圆形或多边形。
所述的第一绝缘层和第二绝缘层为Parylene绝缘层，用于多层复合薄膜的成型及电极绝缘，Si3N4层和多晶硅层实现键合封装和外部保护，导线层以铝作为材料。
所述的支撑层上依次设有Si基底和Si3N4层，电容下极板设置在Si3N4层上。
所述的声表面波器件的压电材料上还设有声表面波反射栅。
所述的声表面波器件上还设有识别编码器，识别编码器对电容式微型胎压传感器身份进行识别，避免信息传输错误。
所述的压电材料由ZnO、SiO2或LiNbO3压电材料制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果
本发明提供的电容式微型胎压传感器，能够植入轮胎内部工作，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输。多层复合薄膜对压力进行敏感，在多层薄膜和支撑板之间制作的检测电容用于实现压力测量。下层底板上集成有无线通讯天线和声表面波器件，二者一起完成能量稱合和信息传输。
外界信号进入天线耦合后，在声表面器件产生振荡效应，获得传感器所需的工作能量。检测电容作为振荡电路的一个负载，外界压力引起的电容变化，导致振荡电路的容性负载和输出发生变化。最终，振荡电路输出中包含的胎压信息，再次经过换能器和天线，以无线信号回送出去，供接收器接收并处理；具有体积小、质量轻、成本低、免维护、无污染、节能环保等优点。
进一步的，上层板上设置的外凸型多层复合薄膜，外凸结构可以为矩形、圆形、多边形等多种形状，其主要材料为Si3N4、Parylene、招、多晶娃、以及压电材料。其中Parylene 为主体材料，用于薄膜结构的成型及电极绝缘，Si3N4和多晶硅分别用于实现键合封装和外部保护，Al用作电极材料，多层复合薄膜制作需对不同材料的工艺分别控制，经过多次沉积、退火、刻蚀等工艺完成薄膜加工。由于多层复合薄膜各部分结构材料刚性的差异较大， 外界压力作用将引起薄膜变形，杯形薄膜的变形直接引起检测电容的变化，以反映外界压力波动，并作为声表面波振荡电路的电容性负载。
本发明提供的电容式微型胎压传感器，下底板上的声表面波器件不受外部压力影响，可以设置制作识别编码器。通过声表面波编码器，实现对无线传感器的唯一性识别，可同时完成压力测量和器件身份识别，便于多传感器协同工作和信息融合。而且此功能对于提高传感器的互换性具有重大意义，同时也可提高系统的可靠性和可维护性。
本发明涉及的电容式微型胎压传感器，以无源无线的方式工作，克服有源式传感器的多种缺陷。去除电池供电，降低成本减少环境污染，同时避免传感器因电源不足的失效问题。采用电容敏感方式，声表面波器件仅作为无线耦合和通信，因而其性能不受外界压力条件的影响，能够获得很好的工作性能。采用微制作工艺制作带来的小体积和轻质量，以及免维护使用，可以完全植入轮胎内部工作，实现智能化胎压监测。
图I为电容式微型胎压传感器的外形结构图2为电容式微型胎压传感器的内部剖面图3为电容式微型胎压传感器的底板电路连接示意图；其中，Z为包含了 CLR的复阻抗；
图4为电容式微型胎压传感器的等效电路示意图。
其中1多层复合薄膜；2上层板；3支撑板；4声表面波器件；5微型天线；6下底板；llSi3N4层；12多晶娃层；13第一绝缘层；14导线层；15电容上极板；16第二绝缘层； 31电容下极板；32Si3N4层；33Si基底；41叉指电极；42压电材料；43声表面波反射栅。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图I 图4，本发明为一种电容式微型胎压监测传感器，能够植入轮胎内部工作，传感器为三层板式结构，上层板上制作有外凸型多层复合弹性薄膜，用于对外部压力进行敏感。在多层薄膜和支撑板上制作有电容电极，用于实现压力测量。下层底板上集成有无线通讯天线和声表面波器件，二者一起完成能量耦合和信息传输。外界信号进入天线耦合后，在声表面器件产生振荡效应，获得传感器所需的工作能量。杯形薄膜和支撑板之间的电容作为振荡电路的一个负载，外界压力引起的电容变化，导致振荡电路的容性负载和输出发生变化。
具体的，电容式微型胎压监测传感器，包括上层板、支撑板和下底板，上层板上设有对压力敏感的多层复合薄膜，多层复合薄膜中设有电容上极板；支撑板的上表面设有电容下极板，电容上极板、电容下极板形成的检测电容；下底板上设有相耦合的声表面波器件和微型天线，声表面波器件包括压电材料和两组叉指电极，其中一组叉指电极与微型天线相连接，为通讯端；另一组叉指电极分别与电容上极板、电容下极板相连接，为测量端。
外界压力作用引起多层复合薄膜变形，此变形引起检测电容的电容性负载以及测量端电路的输出信号变化；检测电容作为测量端电路的负载，其数值变化直接导致测量端电路输出包含压力变化的信息；该信息经过声表面波器件变换为无线信号，并经微型天线发送出去，供接收器端接收并处理。
当微型天线接收到外部工作脉冲信号，声表面波器件从天线耦合中的高频信号中获取工作能量，并由通讯端开始在声表面波器件上产生振荡声波场，声波场传播至测量端后，重新变化为测量电路的振荡信号，用于压力测量；
外部压力变化引起检测电容变化，并最终导致振荡信号的特性发生改变，完成测量过程；包含了外部压力信息的测量信号，再次由测量端进入声表面波器件，并在通讯端转变为无线信号，经过微型天线发送回接收器接接收并处理。
电容式微型胎压传感器依赖微型天线与接收器端的天线的无线电磁能量耦合，将将接收器端的天线(测量系统)发出的电能耦合转化为声表面波的机械振动能，并获得工作所需能量。首先由测量天线发出的测量脉冲信号在传感器的微型天线中形成耦合信号，耦合信号经过通讯端的换能器，将大部分能量转换为声表面波的机械振动能，保证了传感器的工作能量。声表面波的振动能在测量端会转化为振荡信号并通过检测电容获取压力变化信息，然后，测量端的结果信号将重新经过声表面波器件转化为声表面波信号，并返回通讯端经过天线发送出结果信息。
具体的参见图I 图4，电容式微型胎压监测传感器中
多层复合薄膜I向外凸起呈杯型，并在上层板2、支撑板3之间为电容下极板15留有凹坑；
多层复合薄膜I从外到内依次包括Si3N4层11、多晶硅层12、第一绝缘层13、导线层14、第二绝缘层16，电容上极板15设置在导线层14与第二绝缘层16之间。
第一绝缘层13和第二绝缘层16为Parylene绝缘层，用于多层复合薄膜I的成型及电极绝缘，Si3N4层11和多晶硅层12实现键合封装和外部保护，导线层14以铝作为材料。 多层复合薄膜I制作需对不同材料的工艺分别控制，经过多次沉积、退火、刻蚀等工艺完成薄膜加工。
支撑层3上依次设有Si基底33和Si3N4层32，电容下极板31设置在Si3N4层32 上。支撑板3的下表面也设有凹坑，为声表面波器件4和微型天线5留有封装孔隙；支撑板 3上还设有供电容上极板15、电容下极板31与声表面波器件5相连接的通孔。
下底板6上设有相互连接声表面波器件4和无线通讯用微型天线5。
声表面波器件4由压电材料42和叉指电极41组成，其中一组叉指电极与微型天线5相连，用于能量耦合和通讯，为通讯端；另外一组叉指电极与电容上极板15、电容下极板31相连，为测量端；所形成的电容作为振荡电路的负载。当天线耦合后在声表面波器件上产生振荡声场，声场在另一边重新变化为高频电场振荡，电容负载的变化直接影响到高频电场振荡特性。最终，高频电场重新经过声表面波器件和天线，发送回接收器处理。进一步的，多组声表面器件的相互配合，可以获得对温度、振动等因素的补偿，提高传感器的测量精度。
由于下底板6上的声表面波器件4不受外部压力影响，可以集成制作识别编码器。 通过声表面波编码器，可同时完成压力测量和器件身份识别，实现对无线传感器的唯一性识别，便于多传感器协同工作和信息融合。而且此功能对于提高传感器的互换性具有重大意义。采用微制作工艺制作带来的小体积和轻质量，以及免维护使用，可以完全植入轮胎内部工作，实现智能化胎压监测。同时，也可提高系统的可靠性和可维护性。
本发明涉及的电容式微型胎压传感器，以无源无线的方式工作，克服有源式传感器的多种缺陷。去除电池供电，降低成本减少环境污染，同时避免传感器因电源不足的失效问题。采用电容敏感方式，声表面波器件仅作为无线耦合和通信，因而其性能不受外界压力条件的影响，能够获得很好的工作性能。
权利要求
1.一种电容式微型胎压传感器,其特征在于，包括上层板、支撑板和下底板，上层板上设有对压力敏感的多层复合薄膜，多层复合薄膜中设有电容上极板；支撑板的上表面设有电容下极板，电容上极板、电容下极板形成的检测电容；下底板上设有相连接的声表面波器件和微型天线，声表面波器件包括压电材料和两组叉指电极，其中一组叉指电极与微型天线相连接，为通讯端；另一组叉指电极分别与电容上极板、电容下极板相连接，为测量端。
2.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，外界压力作用引起多层复合薄膜变形，此变形引起检测电容的电容性负载以及测量端电路的输出信号变化；检测电容作为测量端电路的负载，其数值变化直接导致测量端电路输出包含压力变化的信息；该信息经过声表面波器件变换为无线信号，并经微型天线发送出去，供接收器端接收并处理。
3.如权利要求2所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，当微型天线接收到外部工作脉冲信号，声表面波器件从天线耦合中的高频信号中获取工作能量，并由通讯端开始在声表面波器件上产生振荡声波场，声波场传播至测量端后，重新变化为测量电路的振荡信号，用于压力测量； 外部压力变化引起检测电容变化，并最终导致振荡信号的特性发生改变，完成测量过程；包含了外部压力信息的测量信号，再次由测量端进入声表面波器件，并在通讯端转变为无线信号，经过微型天线发送回接收器接接收并处理。
4.如权利要求3所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，电容式微型胎压传感器依赖微型天线与接收器端的天线的无线电磁能量耦合，将接收器端的天线发出的电能耦合转化为声表面波的机械振动能，并获得工作所需能量。
5.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的多层复合薄膜向外凸起呈杯型，并在上层板、支撑板之间为电容下极板留有凹坑； 支撑板的下表面也设有凹坑，为声表面波器件和微型天线留有封装孔隙；支撑板上还设有供电容上极板、电容下极板与声表面波器件相连接的通孔。
6.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的多层复合薄膜从外到内依次包括=Si3N4层、多晶硅层、第一绝缘层、导线层、第二绝缘层，电容上极板设置在导线层与第二绝缘层之间； 多层复合薄膜外凸为矩形、圆形或多边形。
7.如权利要求6所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的第一绝缘层和第二绝缘层为Parylene绝缘层，用于多层复合薄膜的成型及电极绝缘，Si3N4层和多晶硅层实现键合封装和外部保护，导线层以铝作为材料。
8.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的支撑层上依次设有Si基底和Si3N4层，电容下极板设置在Si3N4层上； 所述的压电材料由ZnO、SiO2或LiNbO3压电材料制作。
9.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的声表面波器件的压电材料上还设有声表面波反射栅。
10.如权利要求I所述的电容式微型胎压传感器，其特征在于，所述的声表面波器件上还设有识别编码器，识别编码器对电容式微型胎压传感器身份进行识别，避免信息传输错误。
全文摘要
本发明公开了一种电容式微型胎压传感器，包括上层板、支撑板和下底板，上层板上设有对压力敏感的多层复合薄膜，多层复合薄膜中设有电容上极板；支撑板的上表面设有电容下极板，电容上极板、电容下极板形成的检测电容；下底板上设有相耦合的声表面波器件和微型天线，声表面波器件包括压电材料和两组叉指电极，其中一组叉指电极与微型天线相连接，另一组叉指电极分别与电容上极板、电容下极板相连接。本发明能够植入轮胎内部工作，以无源无线方式实现对轮胎压力的测量和结果传输，具有体积小、质量轻、成本低、免维护的优点。
文档编号B60C23/04GK102922961SQ20121045121
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者王小章, 张群明, 王朝晖, 郑腾飞 申请人:西安交通大学