发动机压力传感器技术方案应用研究
2022-01-20张鹏涛王培起程冬梅
张鹏涛 王培起 程冬梅
摘要：随着排放法规的升级，发动机上进气、排气、冷却、燃油等相关系统的压力参数需要被精准的采集和控制，导致越来越多的传感器被应用在发动机上，这些传感器的故障情况将会直接影响到发动机的可靠性。针对不同的技术方案研究表明：轨压传感器测量范围一般在1600bar以上，只能用玻璃微熔或薄膜溅射技术;机油压力和冷却水压力传感器测量范围是（50-1000）kPa，性价比最优的是陶瓷电容方案;进气压力传感器测量范围是（20-400）kPa，MEMS是最合适的方案。
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）.
关键词：压力传感器;陶瓷电容;MEMS;玻璃微熔
Key words： pressure sensor;APT;MEMS;MSG
中图分类号：TK427 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2022）04-0005-03
0 引言
随着发动机的发展和科技的进步，电控共轨方案成为发动机市场的主流路线，轨压传感器、机油压力传感器、进气压力温度传感器成为了发动机运行必须的传感器;而随着发动机健康管理系统的应用和普及，发动机上各系统物理参数需要被精准的检测和控制，更多的压力传感器在新一代发动机上被应用，这些传感器不仅要求精度高、响应时间快，还要保证全寿命周期的可靠性、稳定性。
本文对常用几种压力传感器技术从原理、结构、工艺等方面进行对比分析，研究了其各自优缺点，为各测量系统选择压力传感器提供一定的指导。
1 基于陶瓷电容技术的压力传感器
陶瓷电容技术（Automotive Pressure Transducer，简称APT）采用陶瓷电容作为感应单元，主要由陶瓷基板、陶瓷膜片、金属电极、玻璃密封胶等组成，如图1所示。
当压力作用在陶瓷膜片上时，陶瓷膜片因外力而发生变形，上下两个金属电极之间的间隙d变化，根据电容公式C=可以看出，陶瓷电容的容值因间隙d的变化而发生改变，变化的电容值再经过调理电路的处理，转换成电压信号，从而得到压力-电压曲线，如图2所示。
从陶瓷电容原理来看，电容的变化代表压力的变化，調理电路能够识别的最小的电容变化值就是传感器的精度，为了保证传感器较高的精度，电容值的变化范围要在一个合理的变化范围内，既要被调理电路能够识别到，又要精准的识别到电容变化值大小。
对于传感器厂家来说，每设计一版电路都需要做严苛的EMC等试验进行验证，为了减少开发周期、开发费用，厂家会将调理电路做成模块化。针对不同压力量程的陶瓷电容传感器，保证其在压力工作范围内电极间隙d的变化范围都是一定的，这样就需要根据测量压力大小来选择合适的陶瓷膜片厚度，也就是说陶瓷膜片的厚度决定了测量压力的大小。陶瓷膜片越厚，能够承受的压力越大，可以达到15MPa;陶瓷膜片越薄，对低压越敏感，最低可以测量20kPa的压力，但是陶瓷膜片越薄，工艺难度大，成本相对较高，与MEMS传感器相比，性价比不高。
某陶瓷电容传感器结构如图3所示，从结构可以看出，陶瓷膜片直接与压力介质接触，而陶瓷材料是一种公认的抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，所以陶瓷电容传感器无疲劳、无塑性变形、无迟滞、介质兼容性强，在气体、机油、燃油、冷却液等介质环境中，都具有良好的稳定性和适应性。
而且陶瓷材料具有较好的热稳定性，温度漂移系数极小，使陶瓷电容传感器具有测量的高精度和高稳定性，在全温区中表现稳定。
虽然陶瓷电容传感器有很多优点，但是缺点也很明显：
第一：电容信号容易受干扰，需要在电容周围增加一圈屏蔽电容，并在屏蔽接地且进行产品级装配后才能进行传感器校准;
第二：由于电容信号较小，很小的装配误差就会影响传感器精度和一致性，所以陶瓷电容的装配工艺对产品的影响较大。
综上所述，陶瓷电容传感器结构相对简单，但是对装配工艺要求较高;由于陶瓷材料的兼容性较强，可以适用于多种介质的测量，但由于过载能力有限，适合中压的测量。
2 基于MEMS技术的压力传感器
MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，包括电子和机械元件，是一个独立的职能系统。
微电子和微机械加工是微机电系统的两种制造技术。微电子技术是一项非常成熟的技术，它可以用于在硅片上制作电子电路。微机械加工用于制造微机械结构和微机械运动部件的技术。微机电系统是把微电子电路整合到微机械结构中来，使之能够产生完全集成的系统，这样的系统具有成本低、可靠性高和尺寸小等优点。
目前硅是微电子电路生产中主要使用的衬底材料，也是微系统最终生产的最合适的材料，所以硅微机械加工是发展最好的一种微机械加工技术。
MEMS传感器技术就是采用硅作为基材，经光刻、电铸、注模等工艺在硅表面生成四个等值电阻组成惠斯通电桥，从而形成压力感应单元，结构如图4所示。
硅应力薄膜因受外力作用而发生弹性变形（如图5所示），四个压敏电阻被拉伸导致电阻发生变化，破坏原先的惠斯通电桥电路的平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号，经过调理电路放大处理后输出（0.5-4.5）V的电压，以实现压力测量。
MEMS芯片根据结构不同，可分为绝对压力芯片和相对压力芯片两种。
绝对压力芯片结构如图6所示，主要有硅压感应单元（包括硅基材、硅应变电阻）、玻璃组成，电桥电路在硅应力薄膜与真空腔接触的一侧，而测量介质与硅应力薄膜背面接触，从而保护电路不被腐蚀破坏。
相对压力芯片结构如图7所示，硅应力薄膜两侧都测量压力，为了避免电路被腐蚀，惠斯通电桥所在的一侧一般测量无腐蚀性介质的压力，比如新鲜空气。
从相对和绝对两种典型的结构可以看出，硅应力薄膜直接与介质接触，由于半导体材料的硅在接触到导电介质时会短路，从而导致电路失效，所以这两种直接接触测量介质的MEMS传感器适用于测量干净的气体压力或无腐蚀性无导电性的介质。
对于测量发动机上冷却水、机油、混合气等有腐蚀性的介质，MEMS传感器一般采用充硅油方案，其结构如图8所示。被测介质的压力作用在金属波纹片上，金属波纹片压缩内部的硅油，硅油再把压力传递到MEMS的硅应力薄膜上，从而实现压力的测量。
金属波纹片一般选用不锈钢材料，有很好的耐腐蚀性，所以可以测量多种液体介质和腐蚀性的气体介质;若选用钛合金材料等贵金属材料，可以测量海水等更苛刻性的介质。
充硅油方案虽然可以使MEMS传感器适用更多的测量环境，但是对传感器的生产工艺也有很高的要求，风险点也相对增加：
①金属波纹片与传感器壳体的密封不严会导致硅油泄露，传感器输出异常;
②硅油在封装时若有气泡进入，由于空气的热膨胀系数较大，会导致传感器输出漂移;
③除了MEMS芯片需要温度补偿以外，还要把金属膜片、硅油的温度补偿计算进去，而不同的硅油体积在热涨后变化又不一样，所以腔体内硅油的容量需要精准控制，这个对零部件的一致性和装配工艺都有很高的要求。
从以上各种结构来看，MEMS传感器的整个感应单元主体使用的是硅和玻璃两种材料。由于硅能更好的与电路结合实现集成，因此MEMS技术在实现传感器集成化和小型化方面有很大的优势;但是由于玻璃脆性大，在面对较大的压力冲击时，很容易破碎导致整个感应单元失效。
例如某MEMS压力传感器在0～9bar的压力循环实验中发生玻璃破碎，导致芯片输出失效，如图9所示。
所以MEMS传感器适用于测量低压且压力冲击小的系统中，针对不同的测量介质和测量要求，传感器芯片及结构要做适应性防护。
3 基于玻璃微熔技术的压力传感器
玻璃微熔压力传感器的原理同MEMS，都是利用惠斯通电桥的变化输出不同的电压，从而得到“压力-电压”曲线;不同的是四个压敏电阻通过玻璃微熔技术烧结在金属基板上，从而使两者紧固结合在一起，一般电阻烧结的位置在金属基板密封的一端，从而保证电子元件不被测量介质腐蚀破坏，如图10所示。
从传感器的结构可以看出，测量介质直接与金属基板接触，由于金属基板有很好的耐腐蚀性和延展性，所以玻璃微熔传感器可以适用于多种介质，并且能承受更高的压力冲击。
金属基板越厚，能够承受的压力越大，测量的压力范围就越广，可以測量3500bar的压力;基板越薄，对于微弱的压力就更敏感，但是工艺难度越大，成本相对较高。
4 结论
从以上对三种压力传感器技术的研究可以看出，各技术方案都有自己的特点，不同的测量系统要根据测量介质、压力范围、压力冲击等确定性价比最优的传感器技术方案。综合而言，①一般针对低压（P≤500kPa）的测量，性价比最优的是MEMS方案;若是测量介质有腐蚀性，推荐使用陶瓷电容方案;②针对中压（500kPa
参考文献：
[1]方娟.传感器在汽车上的应用探讨[J].内燃机与配件，2021（17）：66-67.
[2]桂知进.汽车电子技术中传感器的应用研究[J].内燃机与配件，2020（21）：203-204.
[3]徐彬，丁国臣.汽车电子技术中传感器的应用分析[J].内燃机与配件，2021（15）：220-221.
[4]何迎辉，石慧杰，金忠，谢锋，周国方.溅射薄膜压敏芯体长期稳定性研究[J].电子工艺技术，2020，41（04）：215-217.
[5]虞沛芾，李伟.薄膜压力传感器的研究进展[J].有色金属材料与工程，2020，41（02）：47-54.
