压力传感器在汽车上的应用

2018-03-29程娟

汽车电器 2018年3期

程娟

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北武汉 430056）

应用在汽车上的压力传感器种类繁多，有的装配在发动机上，例如进气压力传感器、进气温度压力传感器、机油压力传感器、高压油轨传感器、气缸压力传感器等；有的装配在整车上，如空调压力传感器、油箱压力传感器、尿素压力传感器等。这些压力传感器都有一个共同的特点，其准确度与稳定性都很高，非常可靠，不容易受到环境（如高温、振动等）的影响，且能大规模制造，因此给客户带来较低的成本收益。

1 基于微机电MEMS技术的压力传感器

微电子机械系统 MEMS，简称微机电系统，它将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁，力等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以识别的电信号，还可以通过电子系统控制这些信号。从材料和工艺的角度来看，微电子机械系统可简单地理解为：在半导体衬底上利用微加工技术制作出的三维微结构或微系统。从组成结构上看，MEMS 系统由电子部件和机械部件组成，主要包括微型传感器、执行器和相应的信号处理电路3部分［1］。

图1 MEMS原理图

在发动机上应用MEMS技术的压力传感器，比较典型的有进气温度压力传感器，压力测量单元部分基于MEMS技术的压阻效应原理，压力作用于带电桥的膜片（原理图见图1），膜片变形会引起对边电阻变化，形成微弱电势差，通过信号调理电路对该电压放大调整，输出标准的电压给ECU（发动机控制单元）。工艺上采用三维集成电路，在同一硅片上进行微机械加工，生产分别受拉和受压的4个应变电阻，构成惠斯通检测电桥，成为集应力敏感与力电转换检测于一体的压力感应模块，见图2。

图2 电气原理图

图3 进气温度传感器爆炸图

进气温度压力传感器的爆炸图见图3。由上盖、PCB板、NTC热敏电阻、插针、外壳以及O形圈组成。具有成熟而精确的温度补偿，有良好的电磁兼容性、抗振性和介质兼容性，能够在全温度范围内可靠工作。鉴于机舱内的温度要求，产品设计验证的试验温度范围是 -40～160 ℃。进气温度压力传感器的重要特性参数是压力响应时间和压力传输函数，压力区间一般在200～2500 mbar，有效输出区间在10%-90%。另外，压差传感器以及相对压力传感器也是基于MEMS技术。压差传感器主要应用在颗粒捕捉系统以及颗粒氧化催化器，它的优势主要有响应时间快、性能更好、精度更高、耐久性以及可靠性也较好。

2 基于陶瓷电容技术的压力传感器

以陶瓷为介质的电容器统称为陶瓷介质电容器（图4）。由于原材料丰富、结构简单、价格低廉、而且电容量范围较宽、损耗较小，陶瓷电容技术被广泛应用在电力电子线路中［2］。基于陶瓷电容技术的压力传感器原理如下：陶瓷基板与隔膜镀上金属作为电极使用，2种陶瓷部件通过玻璃密封连接在一起，保持可控间隙，以便2个金属电极形成电容。如果施加压力，那么将改变基板与隔膜的间隙，从而改变传感元件的电容，再通过信号调理电路转换成标准的电压信号输出给ECU。陶瓷电容压力传感器以其高灵敏度与低功耗而闻名。该材料不受恶劣介质的影响，而且在较大的温度范围内，传感器都能保持稳定。

图4 陶瓷电容压力传感器

陶瓷电容压力传感器有很高的可靠性，能适合高压高温环境，也能暴露于机油的环境中。机油压力传感器是陶瓷电容技术的典型应用，可检测发动机的机油压力，能在低压力点上实现极高的准确度，误差可以达到±1.23%，压力响应时间可以做到＜2 ms，并适用于较高的工作压力环境，压力范围在50～1 150 kPa。机油压力传感器对清洁度有特殊要求，因此在制造时要求洁净厂房。机油压力传感器的组成部件见图5。

在柴油发动机上的尿素压力传感器也是陶瓷电容技术的典型应用，监控SCR系统中的尿素溶液喷射压力。在SCR系统中，对传感器的最大挑战是尿素的腐蚀性和尿素的低温结冰特性，因此需要用高标准的不锈钢接口确保传感器不受尿素腐蚀的影响，并且在接口设计时着重考虑防结冰结构。