壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用

程 娟

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

應(yīng)用在汽車上的壓力傳感器種類繁多，有的裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上，例如進(jìn)氣壓力傳感器、進(jìn)氣溫度壓力傳感器、機(jī)油壓力傳感器、高壓油軌傳感器、氣缸壓力傳感器等；有的裝配在整車上，如空調(diào)壓力傳感器、油箱壓力傳感器、尿素壓力傳感器等。這些壓力傳感器都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，其準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性都很高，非常可靠，不容易受到環(huán)境（如高溫、振動(dòng)等）的影響，且能大規(guī)模制造，因此給客戶帶來較低的成本收益。

1 基于微機(jī)電MEMS技術(shù)的壓力傳感器

微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS，簡(jiǎn)稱微機(jī)電系統(tǒng)，它將電子系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁，力等自然界信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)，還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)。從材料和工藝的角度來看，微電子機(jī)械系統(tǒng)可簡(jiǎn)單地理解為：在半導(dǎo)體襯底上利用微加工技術(shù)制作出的三維微結(jié)構(gòu)或微系統(tǒng)。從組成結(jié)構(gòu)上看，MEMS 系統(tǒng)由電子部件和機(jī)械部件組成，主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的信號(hào)處理電路3部分［1］。

圖1 MEMS原理圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用MEMS技術(shù)的壓力傳感器，比較典型的有進(jìn)氣溫度壓力傳感器，壓力測(cè)量單元部分基于MEMS技術(shù)的壓阻效應(yīng)原理，壓力作用于帶電橋的膜片（原理圖見圖1），膜片變形會(huì)引起對(duì)邊電阻變化，形成微弱電勢(shì)差，通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)該電壓放大調(diào)整，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓給ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）。工藝上采用三維集成電路，在同一硅片上進(jìn)行微機(jī)械加工，生產(chǎn)分別受拉和受壓的4個(gè)應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通檢測(cè)電橋，成為集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的壓力感應(yīng)模塊，見圖2。

圖2 電氣原理圖

圖3 進(jìn)氣溫度傳感器爆炸圖

進(jìn)氣溫度壓力傳感器的爆炸圖見圖3。由上蓋、PCB板、NTC熱敏電阻、插針、外殼以及O形圈組成。具有成熟而精確的溫度補(bǔ)償，有良好的電磁兼容性、抗振性和介質(zhì)兼容性，能夠在全溫度范圍內(nèi)可靠工作。鑒于機(jī)艙內(nèi)的溫度要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證的試驗(yàn)溫度范圍是 -40～160 ℃。進(jìn)氣溫度壓力傳感器的重要特性參數(shù)是壓力響應(yīng)時(shí)間和壓力傳輸函數(shù)，壓力區(qū)間一般在200～2500 mbar，有效輸出區(qū)間在10%-90%。另外，壓差傳感器以及相對(duì)壓力傳感器也是基于MEMS技術(shù)。壓差傳感器主要應(yīng)用在顆粒捕捉系統(tǒng)以及顆粒氧化催化器，它的優(yōu)勢(shì)主要有響應(yīng)時(shí)間快、性能更好、精度更高、耐久性以及可靠性也較好。

2 基于陶瓷電容技術(shù)的壓力傳感器

以陶瓷為介質(zhì)的電容器統(tǒng)稱為陶瓷介質(zhì)電容器（圖4）。由于原材料豐富、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、而且電容量范圍較寬、損耗較小，陶瓷電容技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電力電子線路中［2］。基于陶瓷電容技術(shù)的壓力傳感器原理如下：陶瓷基板與隔膜鍍上金屬作為電極使用，2種陶瓷部件通過玻璃密封連接在一起，保持可控間隙，以便2個(gè)金屬電極形成電容。如果施加壓力，那么將改變基板與隔膜的間隙，從而改變傳感元件的電容，再通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)輸出給ECU。陶瓷電容壓力傳感器以其高靈敏度與低功耗而聞名。該材料不受惡劣介質(zhì)的影響，而且在較大的溫度范圍內(nèi)，傳感器都能保持穩(wěn)定。

圖4 陶瓷電容壓力傳感器

陶瓷電容壓力傳感器有很高的可靠性，能適合高壓高溫環(huán)境，也能暴露于機(jī)油的環(huán)境中。機(jī)油壓力傳感器是陶瓷電容技術(shù)的典型應(yīng)用，可檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力，能在低壓力點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)極高的準(zhǔn)確度，誤差可以達(dá)到±1.23%，壓力響應(yīng)時(shí)間可以做到＜2 ms，并適用于較高的工作壓力環(huán)境，壓力范圍在50～1 150 kPa。機(jī)油壓力傳感器對(duì)清潔度有特殊要求，因此在制造時(shí)要求潔凈廠房。機(jī)油壓力傳感器的組成部件見圖5。

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的尿素壓力傳感器也是陶瓷電容技術(shù)的典型應(yīng)用，監(jiān)控SCR系統(tǒng)中的尿素溶液噴射壓力。在SCR系統(tǒng)中，對(duì)傳感器的最大挑戰(zhàn)是尿素的腐蝕性和尿素的低溫結(jié)冰特性，因此需要用高標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼接口確保傳感器不受尿素腐蝕的影響，并且在接口設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮防結(jié)冰結(jié)構(gòu)。

圖5 機(jī)油壓力傳感器爆炸圖

3 基于硅應(yīng)變片技術(shù)MSG的壓力傳感器

硅應(yīng)變片技術(shù)是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的，將4個(gè)壓敏電阻置于金屬膜上，如圖6所示。在受到壓力時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，從而導(dǎo)致壓阻效應(yīng)，再用導(dǎo)線焊接構(gòu)成一個(gè)完整的惠斯通電橋，最后通過調(diào)理電路輸出一個(gè)壓力與電壓對(duì)應(yīng)的曲線，如圖7所示。

圖6 硅應(yīng)變片技術(shù)壓力傳感器

圖7 硅應(yīng)變片技術(shù)電路原理

基于硅應(yīng)變片技術(shù)的壓力傳感器一般應(yīng)用在高壓傳感器上，如高壓油軌傳感器，安裝在油軌上，用于測(cè)量燃油壓力，使ECU能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)燃油供給的精確控制。高壓可達(dá)250 bar，精度高、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量介質(zhì)兼容性好。由于是裝配在高壓油軌上，因此該傳感器對(duì)清潔度也有相當(dāng)高的要求。

4 結(jié)束語

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，以及國(guó)家法規(guī)要求的加嚴(yán)，越來越多的壓力傳感器會(huì)應(yīng)用到汽車上。例如OBD II法規(guī)要求主機(jī)廠監(jiān)測(cè)整個(gè)排放蒸發(fā)系統(tǒng)的泄露量，那么就需要增加油箱壓力傳感器，用于油箱泄露的監(jiān)測(cè)。目前這個(gè)壓力傳感器在國(guó)內(nèi)還沒有被廣泛應(yīng)用，大部分主機(jī)廠還處在研發(fā)階段。

本文介紹了汽車用壓力傳感器的3種主流技術(shù)，以及它們?cè)谄嚿系湫蛻?yīng)用案例。隨著技術(shù)的普及以及國(guó)內(nèi)科研能力的提高，國(guó)內(nèi)也陸續(xù)涌現(xiàn)出一批在壓力傳感器方面表現(xiàn)比較好的民營(yíng)企業(yè)。隨著科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)已不再被國(guó)際上的知名企業(yè)所壟斷。

［1］ 周鵬.MEMS器件綜合技術(shù)的研究［D］.南京：東南大學(xué)，2005.

［2］ 閆曉金，陳永真.陶瓷電容器在電力電子線路中的應(yīng)用［J］.電源世界，2008（3）：73-75．