某車型油箱壓力傳感器信號漂移故障研究及解決

【摘" 要】油箱壓力傳感器是燃油系統(tǒng)的重要部件，為發(fā)動機(jī)控制單元提供壓力信號，其信號漂移會影響泄漏診斷真實(shí)性，甚至誤報發(fā)動機(jī)故障燈點(diǎn)亮故障。文章針對某車型壓力傳感器信號漂移故障，從失效機(jī)理、零部件自身及周邊環(huán)境等方面分析，確定根本原因?yàn)橛拖鋲毫鞲衅髦苓呾o電使靜電鍵合力變化，導(dǎo)致鍵合區(qū)域應(yīng)力變化并傳導(dǎo)至MEMS芯片敏感區(qū)，超出傳感器出廠校準(zhǔn)承受范圍時出現(xiàn)輸出信號漂移。通過改善周邊靜電堆積狀況，有效解決壓力漂移故障。

【關(guān)鍵詞】信號漂移；靜電；安裝位置

中圖分類號：U463.6"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0095-04

Research and Solution of Signal Drift Fault of Fuel Tank Pressure Sensor of a Vehicle Type

MEI Guangcan，MA Diantao，MA Xinying，SUN Xiaoping，CHEN Xiaojun，LI Zhenglv

（Geely Automotive Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Ningbo 315336，China）

【Abstract】Fuel tank pressure sensor is an important component of fuel system，which provides pressure signal for engine control unit. Its signal drift will affect the authenticity of leakage diagnosis and even 1 alarm of engine failure light. Based on the analysis of the failure mechanism，parts themselves and the surrounding environment，the paper determined that the root cause was the static electricity around the pressure sensor of the fuel tank caused the change of electrostatic bond force，resulting in the change of stress in the bonding area and the transmission to the sensitive area of the MEMS chip，and the output signal drift occurred when the sensor was beyond the factory calibration range. By improving the surrounding electrostatic accumulation，the pressure drift fault is effectively solved.

【Key words】signal drift；static electricity；installation position

1" 分析背景

伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，國家對環(huán)保重視程度越來越高。在機(jī)動車領(lǐng)域，國家對汽車排放要求也日趨嚴(yán)格。為避免油蒸汽持續(xù)泄漏到外界大氣污染環(huán)境，車載診斷系統(tǒng)OBD增加了燃油系統(tǒng)蒸發(fā)泄漏診斷。目前，OBD診斷方案有ELCM、DMTL、DTESK及NVLD。其中，DTESK作為蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏診斷策略的其中一種，因其具有絕對的成本優(yōu)勢，在傳統(tǒng)燃油車型中應(yīng)用最為廣泛。該方案采用主動控制碳罐電磁閥的開度來構(gòu)建油箱系統(tǒng)的真空度，若無法建立目標(biāo)真空度，則系統(tǒng)會判定油箱系統(tǒng)存在泄漏并停止診斷；若真空度達(dá)到所需目標(biāo)后，關(guān)閉油箱系統(tǒng)的所有通道，通過計算一段時間內(nèi)的真空衰減速度來檢測1mm或0.5mm泄漏。由于其是通過監(jiān)測油箱壓力傳感器信號來判定真空衰減速度，所以壓力傳感器外發(fā)信號的可靠性至關(guān)重要。一旦輸出的壓力信號出現(xiàn)波動或漂移，將會導(dǎo)致泄漏診斷的可靠性下降，嚴(yán)重時甚至?xí)苯佑绊懴到y(tǒng)泄漏診斷結(jié)果的真實(shí)性。

油箱壓力傳感器的傳感元件由一片硅芯片構(gòu)成。在硅芯片上蝕刻出一片壓力膜片，膜片上有4個壓電電阻，這4個壓電電阻作為應(yīng)變元件組成一個惠斯頓電橋。硅芯片上除了壓力膜片之外，還集成了信號處理電路。硅芯片的上表面承受著大氣壓力，下表面承受著待測的油箱蒸汽壓力。硅芯片的厚度僅有幾微米，因此油箱壓力的變化會使硅芯片發(fā)生機(jī)械變形，4個壓電電阻也會隨之變形，其電阻值發(fā)生改變。經(jīng)過硅芯片的信號電路處理后，形成與壓力成線性關(guān)系的電壓信號。若外界環(huán)境影響到傳感器的真實(shí)輸出，當(dāng)ECU接收到的油箱壓力信號超出診斷閾值時，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障燈點(diǎn)亮的故障。本文針對某車型油箱壓力傳感器的壓力信號漂移故障，從失效機(jī)理、零部件自身以及周邊環(huán)境三方面進(jìn)行分析，最終確定故障原因，并提出解決方案。

2" 故障描述

故障數(shù)地域發(fā)布如圖1所示。某車型在進(jìn)入冬季后，多個區(qū)域出現(xiàn)發(fā)動機(jī)故障燈點(diǎn)亮的故障。從地域分布來看，主要集中爆發(fā)于冬季干燥寒冷的北方地區(qū)。經(jīng)采集故障過程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時油箱壓力傳感器的輸出電壓出現(xiàn)異常跳變（4.7V上升或0.29V下降），超出了傳感器的正常工作范圍（0.6～4.3V）。由于油箱壓力傳感器信號超出范圍（正向/負(fù)向），導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障燈常亮。采集故障車輛數(shù)據(jù)情況如圖2所示。

3" 故障分析

3.1" 失效機(jī)理分析

傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了進(jìn)一步探究油箱壓力傳感器信號波動的原因，首先從信號傳導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行分析。油箱壓力傳感器安裝在燃油箱總成上，接收ECU發(fā)出的5V電壓，根據(jù)燃油箱總成內(nèi)部壓力的變化輸出電壓信號值。圖4為傳感器連接電器圖。對信號傳輸過程展開分析，傳感器由ECU的5V電壓供電，根據(jù)油箱內(nèi)部壓力與大氣壓差的變化，輸出電壓信號值并反饋給ECU。當(dāng)經(jīng)過濾波后的油箱壓力大于30hPa或小于-36hPa，且壓力持續(xù)時間達(dá)到14s后，ECU會報油箱壓力傳感器信號超范圍（正向）/（負(fù)向）。傳感器整車布置如圖5所示。

通過工作機(jī)理分析，運(yùn)用FTA故障樹對油箱壓力傳感器的影響因素鎖定6個末端因素。傳感器失效FTA故障樹如圖6所示。

3.2" 故障件分析

3.2.1" 線束接插件、搭鐵排查

線束排查情況如圖7所示。排查故障車線束、插頭、ECU搭鐵，未發(fā)現(xiàn)異常；ECU與傳感器飛線連接，故障依舊，排除線束故障。

3.2.2" 零部件失效/過程影響

傳感器零部件排查情況如圖8所示。通過對市場故障件外觀、芯片X光掃描、性能測試無異常，引腳焊接良好，排除芯片故障。

3.2.3" ECU輸出電壓波動

示波器監(jiān)控ECU輸出端與壓力傳感器接收的電壓，同時監(jiān)控壓力傳感器輸出信號與ECU接收信號電壓。ECU零部件排查情況如圖9所示。數(shù)據(jù)監(jiān)控ECU輸出5V電壓穩(wěn)定無異常，排除壓力傳感器輸入電壓波動引起的信號波動。

3.2.4" 周邊干擾影響分析

通過P圖分析，油箱壓力傳感器周圍的“干擾”需從整車車身、油泵、燃油箱等展開分析。ECU零部件排查情況如圖10所示。

經(jīng)過整車及零部件ABA互換驗(yàn)證，燃油泵檢修口蓋與車身之間使用丁基膠隔離，未形成導(dǎo)通回路，由于燃油箱表面存在靜電，油泵檢修口蓋因與油箱表面形成電場，隨著電荷積累，最終因油箱壓力傳感器在其靜電作用下，原有已平衡的靜電鍵合力發(fā)生變化，導(dǎo)致鍵合區(qū)域內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，并傳導(dǎo)至MEMS芯片的敏感區(qū)，當(dāng)應(yīng)力變化超出傳感器出廠校準(zhǔn)的承受范圍時出現(xiàn)輸出信號漂移。周邊產(chǎn)生靜電影響分析如圖11所示。

3.3" 改進(jìn)優(yōu)化

根據(jù)故障分析結(jié)論，優(yōu)化方案主要考慮消除油箱壓力傳感器周邊靜電感應(yīng)，從消除靜電及導(dǎo)出靜電各做了多個優(yōu)化方案，考慮快速切換、生產(chǎn)及售后可行性，最終將油箱壓力傳感器周邊的燃油管路切換為導(dǎo)電材質(zhì)，通過驗(yàn)證方案可靠有效。不同優(yōu)化方案策略詳見表1。管路采用導(dǎo)靜電方案實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

4" 結(jié)論

本文通過對某車型油箱壓力傳感器出現(xiàn)壓力漂移故障進(jìn)行分析排查，得出結(jié)論如下。

1）油箱壓力傳感器在靜電作用下，原本平衡的靜電鍵合力發(fā)生改變，致使鍵合區(qū)域內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生變化，并傳導(dǎo)至MEMS芯片的敏感區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力變化超出傳感器出廠校準(zhǔn)所能承受的范圍時，便會出現(xiàn)輸出信號漂移現(xiàn)象。

2）對于后續(xù)車型，油箱壓力傳感器的布置方案應(yīng)是遠(yuǎn)離靜電產(chǎn)生源以及靜電傳導(dǎo)零部件。若無法避免，則傳感器布置區(qū)域周邊的零部件必須具備導(dǎo)靜電措施，以確保無靜電累積風(fēng)險，降低傳感器信號受干擾甚至被靜電擊穿芯片的風(fēng)險。

3）在數(shù)據(jù)開發(fā)階段，應(yīng)對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)檢查，充分識別壓力傳感器屬性目標(biāo)達(dá)成過程中的潛在風(fēng)險；在實(shí)物階段，應(yīng)擴(kuò)大靜電放電（ESD）測試范圍，將油箱壓力傳感器納入靜電測試范疇。

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（編輯" 凌" 波）