[发明专利]检验轮胎参数的混合谐振结构

说明书

技术领域

本发明涉及在车辆行驶时对轮胎物理量值的远程测量，特别是通过射频线路和无源元件。

更具体地讲，本发明涉及专用于此用途的在压电膜内带有体波(bulk waves)的谐振结构。根据本发明的结构可以最优化以在其频率范围内增加其质量系数(quality factor)和耦合系数(coupling factor)。

本发明还涉及在车辆的地面连接体(ground connection)例如轮胎中使用混合谐振，以便对行驶参数例如轮胎橡胶温度或内部气压进行远程无线测量。本发明还涉及使用谐振结构，以便将有源MEMS(微机电系统)转换为无源MEMS，换言之，它们可被远程问询并且不连接到电源上。

背景技术

为增加汽车安全性，将用于实时监测轮胎性能和/或它们的使用状态的系统集成起来看上去是理想的。为实现这一点，轮胎的仪器通路的目标是集成电子装置如传感器，例如，用于监测与轮胎使用和/或磨损有关的参数。例如，市场上的TMPS(轮胎压力监测系统)，它们通常由集成于轮胎阀中的传感器组成，用于通知驾驶员轮胎压力是否正确并且检测泄漏气。

只要能够考虑到需要测量安装在汽车车轮上的轮胎在行驶状态下的物理参数，就会引起用于进行这种测量和将其结果传送到车辆内部或外部的控制系统的能量问题。电子装置必须还包括向传感器供电以及取回、甚至处理信号的装置。现有用于最普通安装TPMS系统的解决方案是基于使用与该方案相关联的电池进行能量管理，以致在轮胎的使用寿命过程中不需要替换它们。

但是，理想的解决方案涉及无源传感器。换言之，传感器不需要任何携带在轮胎/车轮组件上的能源，而是仅通过远程射频波或通过与轮胎相关联的自动能量产生系统驱动。在通过射频波提供能量的情况下，问询信号(query signal)被发送到传感器，传感器上装有天线。在接收到信号之后，传感器发送包含关于物理参数信息的无线电波到天线，天线直接或间接感应无线电波。

为此，已知例如文献EP 0 937 615中的声表面波(SAW)传感器可被用于无源地测量物理参数，如通过射频波测量轮胎连接强度。这种SAW传感器的解决方案被特别开发用于数据传输(US2005/093688)。

SAW传感器可以是延迟线(delay line)型(传感器产生的几个回声之间的相差取决于将被测量的参数)或谐振器(resonator)型(传感器的谐振频率取决于将被测量的参数)。由于尺寸紧凑，谐振器型传感器通常更为适于轮胎物理参数的测量，只是要获取这个参数需要在轮胎的制造过程中就集成传感器。

但是，通过谐振器型传感器的高性能测量需要高谐振质量以便获得检测其谐振频率的最佳精度，并且谐振器要求最低可行插损(insertion losses)，即由于系统是无源的，所以设定最低可行插损才能使通过问询无线电波发出的能量最优化使用效果。并且还要对被测量的物理参数充分灵敏以便实现预想的应用。为了在不增加传感器最终尺寸的情况下实现这三个性能标准的最佳，SAW谐振器对于预想应用而言可能受限。具有最小插损及由此最大耦合度(10％而不是1％，例如，通过改变支撑件的压电材料)的SAW谐振器具有不足的谐振质量系数。

此外，SAW谐振器对将被测量的物量参数、特别是温度的灵敏度可能太高，以致不能保证达到无线电发射标准(FCC或ETSI)，特别是在433.92MHz ISM频段。由此，高热灵敏度导致谐振在被允许的频段之外。最后，这种谐振表面波结构必须具有与声波波长和它们的真正结构有关的固定尺寸，以致需要最小长度以执行它们的频谱功能：典型的传感器通常为5mm×5mm。

人们构想出的替代方案可以是使用基于将压电材料片置入振动中的体波谐振器，其中，两个面对的电极夹持着压电材料板，将射频域应用到由此产生的偶极终端，并且基于板的构成材料的晶向所允许的耦合，通过逆压电效应(inverse piezoelectric effect)产生板变形。

考虑石英的热弹性特性(高机械质量系数，存在温度效应的取向补偿等等)，人们发现它是这种应用的优选材料。这种普通的谐振器以大约1MHz操作，这对于最佳射频检测而言太低了。为增加频率，必须将常用的固体材料减薄到一定厚度(为此，板的最小厚度是大约30μm)，这种厚度对于任何工业应用而言都存在危险：1GHz的频率对于经典体波谐振器的应用构成了实际限制。

这些块体声波BAW振荡器不能用于实践，特别是测量严格环境中的行驶参数，而市场上还没有SAW传感器的替代品。

发明内容