發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器技術(shù)方案應(yīng)用研究
2022-01-20 08:24:39張鵬濤王培起程冬梅
內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年4期
張鵬濤 王培起 程冬梅
摘要：隨著排放法規(guī)的升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)氣、排氣、冷卻、燃油等相關(guān)系統(tǒng)的壓力參數(shù)需要被精準(zhǔn)的采集和控制，導(dǎo)致越來(lái)越多的傳感器被應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，這些傳感器的故障情況將會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。針對(duì)不同的技術(shù)方案研究表明：軌壓傳感器測(cè)量范圍一般在1600bar以上，只能用玻璃微熔或薄膜濺射技術(shù);機(jī)油壓力和冷卻水壓力傳感器測(cè)量范圍是（50-1000）kPa，性價(jià)比最優(yōu)的是陶瓷電容方案;進(jìn)氣壓力傳感器測(cè)量范圍是（20-400）kPa，MEMS是最合適的方案。
Abstract： With the upgrade of emission regulations， the pressure parameters of engine intake， exhaust， cooling， fuel and other related systems need to be accurately collected and controlled. As a result， more and more sensors are applied to the engine. The failure of these sensors will directly affect the reliability of the engine. According to different technical schemes， the measurement range of rail pressure sensor is generally above 1600bar， and only glass micro-melting or thin film sputtering technology can be used. Oil pressure and cooling water pressure sensor measurement range is （50-1000） kPa， the best cost performance is the ceramic capacitor solution; The intake pressure sensor measures from （20 to 400）.
關(guān)鍵詞：壓力傳感器;陶瓷電容;MEMS;玻璃微熔
Key words： pressure sensor;APT;MEMS;MSG
中圖分類號(hào)：TK427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0005-03
0 ?引言
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，電控共軌方案成為發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的主流路線，軌壓傳感器、機(jī)油壓力傳感器、進(jìn)氣壓力溫度傳感器成為了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行必須的傳感器;而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用和普及，發(fā)動(dòng)機(jī)上各系統(tǒng)物理參數(shù)需要被精準(zhǔn)的檢測(cè)和控制，更多的壓力傳感器在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)上被應(yīng)用，這些傳感器不僅要求精度高、響應(yīng)時(shí)間快，還要保證全壽命周期的可靠性、穩(wěn)定性。
本文對(duì)常用幾種壓力傳感器技術(shù)從原理、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行對(duì)比分析，研究了其各自優(yōu)缺點(diǎn)，為各測(cè)量系統(tǒng)選擇壓力傳感器提供一定的指導(dǎo)。
1 ?基于陶瓷電容技術(shù)的壓力傳感器
陶瓷電容技術(shù)（Automotive Pressure Transducer，簡(jiǎn)稱APT）采用陶瓷電容作為感應(yīng)單元，主要由陶瓷基板、陶瓷膜片、金屬電極、玻璃密封膠等組成，如圖1所示。
當(dāng)壓力作用在陶瓷膜片上時(shí)，陶瓷膜片因外力而發(fā)生變形，上下兩個(gè)金屬電極之間的間隙d變化，根據(jù)電容公式C=可以看出，陶瓷電容的容值因間隙d的變化而發(fā)生改變，變化的電容值再經(jīng)過調(diào)理電路的處理，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而得到壓力-電壓曲線，如圖2所示。
從陶瓷電容原理來(lái)看，電容的變化代表壓力的變化，調(diào)理電路能夠識(shí)別的最小的電容變化值就是傳感器的精度，為了保證傳感器較高的精度，電容值的變化范圍要在一個(gè)合理的變化范圍內(nèi)，既要被調(diào)理電路能夠識(shí)別到，又要精準(zhǔn)的識(shí)別到電容變化值大小。
對(duì)于傳感器廠家來(lái)說(shuō)，每設(shè)計(jì)一版電路都需要做嚴(yán)苛的EMC等試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為了減少開發(fā)周期、開發(fā)費(fèi)用，廠家會(huì)將調(diào)理電路做成模塊化。針對(duì)不同壓力量程的陶瓷電容傳感器，保證其在壓力工作范圍內(nèi)電極間隙d的變化范圍都是一定的，這樣就需要根據(jù)測(cè)量壓力大小來(lái)選擇合適的陶瓷膜片厚度，也就是說(shuō)陶瓷膜片的厚度決定了測(cè)量壓力的大小。陶瓷膜片越厚，能夠承受的壓力越大，可以達(dá)到15MPa;陶瓷膜片越薄，對(duì)低壓越敏感，最低可以測(cè)量20kPa的壓力，但是陶瓷膜片越薄，工藝難度大，成本相對(duì)較高，與MEMS傳感器相比，性價(jià)比不高。
某陶瓷電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，從結(jié)構(gòu)可以看出，陶瓷膜片直接與壓力介質(zhì)接觸，而陶瓷材料是一種公認(rèn)的抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料，所以陶瓷電容傳感器無(wú)疲勞、無(wú)塑性變形、無(wú)遲滯、介質(zhì)兼容性強(qiáng)，在氣體、機(jī)油、燃油、冷卻液等介質(zhì)環(huán)境中，都具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
而且陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性，溫度漂移系數(shù)極小，使陶瓷電容傳感器具有測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性，在全溫區(qū)中表現(xiàn)穩(wěn)定。
雖然陶瓷電容傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也很明顯：
第一：電容信號(hào)容易受干擾，需要在電容周圍增加一圈屏蔽電容，并在屏蔽接地且進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)裝配后才能進(jìn)行傳感器校準(zhǔn);
第二：由于電容信號(hào)較小，很小的裝配誤差就會(huì)影響傳感器精度和一致性，所以陶瓷電容的裝配工藝對(duì)產(chǎn)品的影響較大。
綜上所述，陶瓷電容傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)裝配工藝要求較高;由于陶瓷材料的兼容性較強(qiáng)，可以適用于多種介質(zhì)的測(cè)量，但由于過載能力有限，適合中壓的測(cè)量。
2 ?基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器
MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)，是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，包括電子和機(jī)械元件，是一個(gè)獨(dú)立的職能系統(tǒng)。
微電子和微機(jī)械加工是微機(jī)電系統(tǒng)的兩種制造技術(shù)。微電子技術(shù)是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，它可以用于在硅片上制作電子電路。微機(jī)械加工用于制造微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)是把微電子電路整合到微機(jī)械結(jié)構(gòu)中來(lái)，使之能夠產(chǎn)生完全集成的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)具有成本低、可靠性高和尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。
目前硅是微電子電路生產(chǎn)中主要使用的襯底材料，也是微系統(tǒng)最終生產(chǎn)的最合適的材料，所以硅微機(jī)械加工是發(fā)展最好的一種微機(jī)械加工技術(shù)。
MEMS傳感器技術(shù)就是采用硅作為基材，經(jīng)光刻、電鑄、注模等工藝在硅表面生成四個(gè)等值電阻組成惠斯通電橋，從而形成壓力感應(yīng)單元，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
硅應(yīng)力薄膜因受外力作用而發(fā)生彈性變形（如圖5所示），四個(gè)壓敏電阻被拉伸導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，破壞原先的惠斯通電橋電路的平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路放大處理后輸出（0.5-4.5）V的電壓，以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。
MEMS芯片根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為絕對(duì)壓力芯片和相對(duì)壓力芯片兩種。
絕對(duì)壓力芯片結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要有硅壓感應(yīng)單元（包括硅基材、硅應(yīng)變電阻）、玻璃組成，電橋電路在硅應(yīng)力薄膜與真空腔接觸的一側(cè)，而測(cè)量介質(zhì)與硅應(yīng)力薄膜背面接觸，從而保護(hù)電路不被腐蝕破壞。
相對(duì)壓力芯片結(jié)構(gòu)如圖7所示，硅應(yīng)力薄膜兩側(cè)都測(cè)量壓力，為了避免電路被腐蝕，惠斯通電橋所在的一側(cè)一般測(cè)量無(wú)腐蝕性介質(zhì)的壓力，比如新鮮空氣。
從相對(duì)和絕對(duì)兩種典型的結(jié)構(gòu)可以看出，硅應(yīng)力薄膜直接與介質(zhì)接觸，由于半導(dǎo)體材料的硅在接觸到導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)會(huì)短路，從而導(dǎo)致電路失效，所以這兩種直接接觸測(cè)量介質(zhì)的MEMS傳感器適用于測(cè)量干凈的氣體壓力或無(wú)腐蝕性無(wú)導(dǎo)電性的介質(zhì)。
對(duì)于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)上冷卻水、機(jī)油、混合氣等有腐蝕性的介質(zhì)，MEMS傳感器一般采用充硅油方案，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。被測(cè)介質(zhì)的壓力作用在金屬波紋片上，金屬波紋片壓縮內(nèi)部的硅油，硅油再把壓力傳遞到MEMS的硅應(yīng)力薄膜上，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。
金屬波紋片一般選用不銹鋼材料，有很好的耐腐蝕性，所以可以測(cè)量多種液體介質(zhì)和腐蝕性的氣體介質(zhì);若選用鈦合金材料等貴金屬材料，可以測(cè)量海水等更苛刻性的介質(zhì)。
充硅油方案雖然可以使MEMS傳感器適用更多的測(cè)量環(huán)境，但是對(duì)傳感器的生產(chǎn)工藝也有很高的要求，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)也相對(duì)增加：
①金屬波紋片與傳感器殼體的密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致硅油泄露，傳感器輸出異常;
②硅油在封裝時(shí)若有氣泡進(jìn)入，由于空氣的熱膨脹系數(shù)較大，會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出漂移;
③除了MEMS芯片需要溫度補(bǔ)償以外，還要把金屬膜片、硅油的溫度補(bǔ)償計(jì)算進(jìn)去，而不同的硅油體積在熱漲后變化又不一樣，所以腔體內(nèi)硅油的容量需要精準(zhǔn)控制，這個(gè)對(duì)零部件的一致性和裝配工藝都有很高的要求。
從以上各種結(jié)構(gòu)來(lái)看，MEMS傳感器的整個(gè)感應(yīng)單元主體使用的是硅和玻璃兩種材料。由于硅能更好的與電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)集成，因此MEMS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)傳感器集成化和小型化方面有很大的優(yōu)勢(shì);但是由于玻璃脆性大，在面對(duì)較大的壓力沖擊時(shí)，很容易破碎導(dǎo)致整個(gè)感應(yīng)單元失效。
例如某MEMS壓力傳感器在0～9bar的壓力循環(huán)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生玻璃破碎，導(dǎo)致芯片輸出失效，如圖9所示。
所以MEMS傳感器適用于測(cè)量低壓且壓力沖擊小的系統(tǒng)中，針對(duì)不同的測(cè)量介質(zhì)和測(cè)量要求，傳感器芯片及結(jié)構(gòu)要做適應(yīng)性防護(hù)。
3 ?基于玻璃微熔技術(shù)的壓力傳感器
玻璃微熔壓力傳感器的原理同MEMS，都是利用惠斯通電橋的變化輸出不同的電壓，從而得到“壓力-電壓”曲線;不同的是四個(gè)壓敏電阻通過玻璃微熔技術(shù)燒結(jié)在金屬基板上，從而使兩者緊固結(jié)合在一起，一般電阻燒結(jié)的位置在金屬基板密封的一端，從而保證電子元件不被測(cè)量介質(zhì)腐蝕破壞，如圖10所示。
從傳感器的結(jié)構(gòu)可以看出，測(cè)量介質(zhì)直接與金屬基板接觸，由于金屬基板有很好的耐腐蝕性和延展性，所以玻璃微熔傳感器可以適用于多種介質(zhì)，并且能承受更高的壓力沖擊。
金屬基板越厚，能夠承受的壓力越大，測(cè)量的壓力范圍就越廣，可以測(cè)量3500bar的壓力;基板越薄，對(duì)于微弱的壓力就更敏感，但是工藝難度越大，成本相對(duì)較高。
4 ?結(jié)論
從以上對(duì)三種壓力傳感器技術(shù)的研究可以看出，各技術(shù)方案都有自己的特點(diǎn)，不同的測(cè)量系統(tǒng)要根據(jù)測(cè)量介質(zhì)、壓力范圍、壓力沖擊等確定性價(jià)比最優(yōu)的傳感器技術(shù)方案。綜合而言，①一般針對(duì)低壓（P≤500kPa）的測(cè)量，性價(jià)比最優(yōu)的是MEMS方案;若是測(cè)量介質(zhì)有腐蝕性，推薦使用陶瓷電容方案;②針對(duì)中壓（500kPa
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