一種基于結(jié)構(gòu)電子的智能化輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車電子技術(shù)，具體是一種與汽車輪轂自身結(jié)構(gòu)一體化的無源無線智能化輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車輪胎是汽車非常重要的零部件之一，隨著汽車智能化的發(fā)展，使輪胎智能化也是當前汽車領(lǐng)域要完成的目標之一。所謂的“輪胎智能化”就是在輪胎植入傳感器，使之能實時監(jiān)測輪胎胎壓與輪胎溫度等。然而，輪胎是一相對汽車其他零部件相對獨立的部件。輪胎需要經(jīng)常拆卸，使得胎壓監(jiān)測系統(tǒng)與車身盡量避免外部電線的互連。這就要求輪胎監(jiān)測模塊必須被完成整地包含在輪胎結(jié)構(gòu)當中。輪胎是一個封閉獨立的零部件，其體積是很有限的，這就要求輪胎監(jiān)測模塊體積必須限制在一定范圍內(nèi)。目前，監(jiān)測電路模塊是安裝在輪輞上，這樣容易受到外界環(huán)境的破壞，而且電路模塊體積較大，質(zhì)量大，在輪胎里會出現(xiàn)很多可靠性方面的問題。早在2008年，Ryosuke Matsuzaki等人在“Rubber-based strainsensor fabricated using photolithography for intelligent tires，，一文中以輪胎橡膠為襯底，采用光刻技術(shù)將叉指型電容傳感器做在橡膠襯底上，然后將該襯底貼附在輪胎內(nèi)表面。這樣一來輪胎壓力的變化會引起電容量的變化，再通過外部電路將變化量讀取出來。此外，在可靠性方面，該電容傳感器也達到了使用壽命的要求。但是，論文中沒有闡述怎樣將該信號傳輸?shù)酵獠拷邮漳K。
[0003]現(xiàn)有的無源無線胎壓監(jiān)測方法，如公告號CN201264489的名稱為“基于輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監(jiān)測裝置”的專利。該專利在輪胎內(nèi)部植入聲表面波諧振器并將輪胎結(jié)構(gòu)中相鄰鋼絲及鋼絲之間的輪胎橡膠組成的輪胎阻抗作為聲表面波諧振器的外接負載。輪胎胎壓的變化引起輪胎結(jié)構(gòu)中由鋼絲及橡膠組成的阻抗的變化，從而引起聲表面波諧振器諧振頻率的變化。該頻率被車身相應射頻接收模塊接收，從而實現(xiàn)胎壓的監(jiān)測。該專利所公開的基于輪胎阻抗的汽車輪胎壓力監(jiān)測裝置雖然從原理上實現(xiàn)了輪胎的無源無線胎壓監(jiān)測，然而，聲表面波諧振器是一剛性器件，在將聲表面波諧振器植入輪胎橡膠內(nèi)的過程中會對輪胎造成一定的破壞；此外，汽車在行駛的過程中，輪胎與路面摩擦會產(chǎn)生較高的溫度，這樣也會對聲表面波諧振器造成一定的影響；剛性聲表面波器件具有相對較大的質(zhì)量，植入輪胎橡膠內(nèi)部后會影響輪胎的動態(tài)平衡；聲表面波諧振器需要外接輪胎鋼絲與鋼絲之間的橡膠組成的輪胎阻抗，在電路實現(xiàn)的過程中需要對輪胎進行一定程度的破壞，或者在輪胎加工過程中就需要改變其原有的加工工藝，這樣輪胎的生產(chǎn)成本也會加大。該專利之所以采用輪胎內(nèi)部鋼絲與橡膠組成的阻抗與聲表面波諧振器組成的輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，是因為輪胎自身結(jié)構(gòu)的鋼絲與橡膠所構(gòu)成的阻抗能比較直接、準確地反映輪胎自身的壓力狀況，然而卻給輪胎加工工藝、加工成本帶來了一定的困難。
[0004]結(jié)構(gòu)電子是指將電子器件和電路部分直接做在某物體結(jié)構(gòu)當中，而盡量省去傳統(tǒng)的PCB，使之既能夠?qū)崿F(xiàn)其原有的物理、力學或其他性能，又能因為電子電路的植入而實現(xiàn)一定的電學功能，同時也能因為結(jié)構(gòu)性電子的實現(xiàn)而減小了電子電路部分所占的體積，使之能夠在有限的體積中植入電路模塊。經(jīng)檢索，目前尚未發(fā)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)電子應用到輪胎胎壓監(jiān)測領(lǐng)域的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種能實現(xiàn)輪胎胎壓的無源無線監(jiān)測，并將該監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)電子電路植入輪轂輪輻結(jié)構(gòu)中，使得輪轂在保持其原有的力學性能之外，還兼有一定的電學功能，實現(xiàn)輪胎力學性能與電學性能一體化功能的基于結(jié)構(gòu)電子的智能化輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:
一種基于結(jié)構(gòu)電子的智能化輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，包括聲表面波諧振器和匹配電路，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是:還包括電容式傳感器，該傳感器通過外部互連導線分別與聲表面波諧振器、匹配電路相連接，電容式傳感器嵌設在輪胎內(nèi)表面的橡膠襯底上，并與輪轂上的相應電路通過導線相連接，聲表面波諧振器和匹配電路分別植入輪轂中的輪輻結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)。
[0007]所述電容式傳感器的材料為銅，其內(nèi)包含的電容為叉指狀電容。
[0008]所述聲表面波諧振器為貼裝式的片式聲表面波諧振器。
[0009]所述外部互連導線為撓性印制電路。
[0010]所述匹配電路中包括貼裝式的片式電容和片式電感。
[0011]所述導線為由納米銀墨水燒結(jié)固化后所形成的銀導線。
[0012]實現(xiàn)上述基于結(jié)構(gòu)電子的智能化輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的方法，包括如下步驟:
(1)預先在輪輻結(jié)構(gòu)上開設一定長、寬、深的溝槽，并在溝槽內(nèi)噴涂絕緣漆，使其輕度固化，拋光，形成絕緣層；
(2)通過3D噴墨打印技術(shù)將納米銀墨水在輪輻的絕緣層上打印出互連導線結(jié)構(gòu)，并將其燒結(jié)固化；
(3)在溝槽內(nèi)滴涂結(jié)構(gòu)膠，將聲表面波諧振器、匹配電路固定在溝槽內(nèi)，使結(jié)構(gòu)膠固化；
(4)用各向同性導電膠將聲表面波諧振器、匹配電路焊盤引腳與納米銀導線進行互連，并使其固化；
(5)分別用硅橡膠、環(huán)氧樹脂將整個電路進行包封，并使其固化；
(6)在輪胎橡膠襯底上鍍銅，在銅層上旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠，輕度固化，將曝光光刻膠，刻蝕銅層，去除銅層表面上的光刻膠，得到電容式傳感器；
(7)通過結(jié)構(gòu)膠將撓性電路與電容式傳感器相連，并用硅橡膠將連接處包封，固化；并將傳感器貼附在輪胎內(nèi)表面；
(8)將輪胎與輪轂進行組裝，用結(jié)構(gòu)膠將撓性電路與輪輻結(jié)構(gòu)電子進行連接，并用硅橡膠將連接處進行包封，固化即可。
[0013]所述納米銀墨水導線的燒結(jié)固化溫度為130_200°C。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1.避免了在輪胎橡膠內(nèi)植入剛性器件，從而保留了輪胎原有的力學性能；
2.將電路及電子器件植入輪轂輪輻結(jié)構(gòu)當中，避免了傳統(tǒng)PCB的使用，從而能夠使胎壓監(jiān)測模塊占用較小的體積空間，實現(xiàn)了輪轂力學與電學一體化的設計思路。同時輪胎監(jiān)測電路植入輪輻結(jié)構(gòu)中使其與外界進行隔離，避免了外界環(huán)境對電路的破壞，提高了電路的可靠性及其使用壽命；
3.用導電膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無鉛焊點，從而使其在動載環(huán)境條件下提高了器件與電路互連的可靠性；
4.金屬墨水導線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬導電絲，使得導線的整體體積、質(zhì)量得到了進一步的改善；
5.沿用光刻技術(shù)將電容式傳感器做在輪胎內(nèi)表面上，電容式傳感器可以在輪胎這一復雜環(huán)境準確測量輪胎胎壓狀況的同時不影響輪胎原有的制造工藝。
【附圖說明】
[0015]圖1為帶有電容式傳感器的輪胎結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為植入有匹配網(wǎng)絡電路及相關(guān)器件的輪轂結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為植入匹配電路與相關(guān)器件的輪輻結(jié)構(gòu)局部示意圖；
圖4為圖3中A-A視向結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5a-圖5f為該輪輻截面圖，其示意性地表達了本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)性電子結(jié)構(gòu)設計及其實現(xiàn)方法；
圖6a_圖6d_2為輪胎橡膠電容式傳感器截面圖，其示意性地表達了基于橡膠襯底的電容式傳感器實現(xiàn)方法；
圖7a_圖7b為貼附在輪胎內(nèi)表面?zhèn)鞲衅鹘孛鎴D，其示意性地表達了撓性電路、電容式傳感器及輪胎的組裝過程。
[0016]圖中:1.輪胎2