用于汽车轮胎压力监测的接触式电容压力传感器研究

摘要

汽车轮胎压力监测系统中的压力传感器因市场的需求一直是人们研究的热点。其中电容式压力传感器因其结构简单、坚固、灵敏度好等特点，在胎压监测系统中有着广泛的应用。
　　电容式压力传感器可分为接触式电容压力传感器和非接触式电容压力传感器。其中接触式电容压力传感器与其它压力传感器相比有着明显的优点，如更具有近线性的输出特性、大压力范围和能够应用在恶劣的环境中。目前国内在接触式电容压力传感器的研制上与国外相比还不到成熟。因此，本课题主要研究采用MEMS加工工艺设计出一种适用于汽车轮胎胎压监测系统的接触式电容压力传感器。
　　本文设计了一种底部固定极板空腔为球冠形状的圆形腔体。其中弹性膜片采用了复合膜的结构，极大地提高了可动极板的耐用性与可靠性，同时提高了它的压力-电容线性度。固定极板设计了球冠形状的圆形空腔。在外界压力下，改变了经典的两极板接触过程，提高了传感器的灵敏度和线性度。其次，因它是应用在汽车轮胎胎压监测系统(100-800千帕)中的，所以设计过程中需要分析和讨论不同的膜片大小和腔体深度参数对接触式电容压力传感器灵敏度和线性度的影响。利用有限元分析法对结构进行模拟分析与验证。
　　本文在理论分析的基础上设计了接触式电容压力传感器的结构和加工工艺流程。在关键的工艺上采用了硅直接键合工艺技术、研磨和化学机械抛光技术。此结构，满足了在汽车轮胎胎压监测下的应用，具有更好的应用价值。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 汽车轮胎胎压监测系统

1.2 MEMS压力传感器及应用

1.2.1 微机电系统的起源与发展

1.2.2 MEMS压力传感器

1.2.3 MEMS压力传感器的应用

1.3 本论文的课题来源

1.4 本论文研究的目的、意义及国内外现状

1.4.1 论文研究的目的

1.4.2 论文研究的意义

1.4.3 国内外的研究现状

1.5 论文纲要

第二章 接触式电容压力传感器的原理与特性

2.1 电容式压力传感器

2.1.1 电容式压力传感器的基本结构

2.1.2 电容式压力传感器的工作原理

2.2 接触式电容压力传感器的分析

2.2.1 接触式电容压力传感器的基本结构

2.2.2 接触式电容压力传感器的工作原理

2.3 接触式电容压力传感器的主要技术指标

2.3.1 灵敏度

2.3.2 线性度

2.3.3 温度范围

2.3.4 测量范围

2.3.5 传感器的温度系数

2.4 小结

第三章 用于TPMS的接触式电容压力传感器结构设计与分析

3.1 接触式电容压力传感器的理论分析

3.2 可动弹性极板的复合膜结构和电致伸缩增强效应

3.3 固定极板的结构

3.4 接触式电容压力传感器的有限元分析

3.4.1 有限元分析简介

3.4.2 有限元分析的步骤

3.4.3 前处理及材料特性

3.4.4 施加、约束及求解

3.5 电容输出量的计算

3.6 小结

第四章 接触式电容压力传感器的加工工艺

4.1 影响电容传感器精度的因素

4.1.1 环境因素的影响

4.1.2 边缘效应的影响

4.1.3 寄生电容的影响

4.2 接触式电容压力传感器的主要加工工艺简介

4.2.1 工艺设计的基本原则

4.2.2 材料的选择

4.2.3电容压力传感器的主要加工工艺

4.3 接触式电容压力传感工艺流程

4.3.1 下膜片的加工

4.3.2 上膜片的制备

4.3.3 硅直接键合及其后续过程

4.4 小结

第五章 展望与总结

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文