第五章壓力傳感器

汽車傳感器原理與檢修第五章壓力傳感器主講：苗延升4.3半導體進氣壓力傳感器4.3.3壓力傳感器的額定值與特性本節(jié)介紹的壓力傳感器的額定值與特性如表4-1所示。

(1)壓力額定值

(2)輸出電壓特性

(3)精度與溫度特性上一頁下一頁返回表4一1進氣壓力傳感器的額定值與特性返回4.3半導體進氣壓力傳感器4.3.4半導體壓力傳感器用作進氣壓力傳感器半導體壓力傳感器可用作檢測進氣壓力，以便于實現(xiàn)排氣再循環(huán)控制、空燃比控制及點火時間控制等。其典型結構如圖4一15所示。作為汽車用進氣壓力檢測裝置，為了實現(xiàn)高精度檢測，將包括有溫度補償電路、放大電路在內(nèi)的混合集成電路與半導體壓力傳感器制成一個整體。上一頁返回4.4集成電路型(IC)大氣壓傳感器4.4.1IC大氣壓傳感器的構成

(1)壓力檢測部分的構成。IC大氣壓傳感器的壓力檢測部分，在硅片的中間，從反面經(jīng)異向腐蝕形成了正方形的膜片，利用膜片將壓力變換成應力，在膜片的表面，通過擴散雜質形成了四個P型測量電阻，它們按橋式電路連接。利用壓阻效應將加在膜片上的應力變換成電阻的變化，此電阻的變化通過橋式電路之后在橋式電路的兩個輸出端子之間以電位差的方式對外輸出。下一頁返回4.4集成電路型(IC)大氣壓傳感器(2)電路的特性。壓力傳感器的主要特性有以下4項:①靈敏度;②偏置電壓(0Pa時的輸出電壓);③靈敏度的溫度特性;④偏置電壓的溫度特性。

(3)傳感器的結構。IC大氣壓傳感器的內(nèi)部結構如圖4-16所示。上一頁下一頁返回4.4集成電路型(IC)大氣壓傳感器4.4.2制造工藝

(1)芯片工藝

(2)元件加工藝

(3)性能的調(diào)整

(4)性能檢查上一頁下一頁返回4.4集成電路型(IC)大氣壓傳感器4.4.3規(guī)格與可靠性

IC大氣壓傳感器的規(guī)格見表4一2。電源電壓為5V單一電源。壓力靈敏度的設定值為39.49mV/kPa,101.3kPa(1個大氣壓)時的輸出電壓為4V。

IC大氣壓傳感器主要有兩個特點，一是通過陽極鍵合法形成真空腔，二是半導體管芯的表面受壓。表4-3是IC大氣壓傳感器的幾項可靠性試驗項目。除此之外，還要進行汽車特有的環(huán)境試驗及裝車試驗。上一頁返回表4一2IC大氣壓傳感器的規(guī)格返回4.5半導體微差壓力傳感器4.5.1半導體微差壓力傳感器的工作原理對檢測發(fā)動機進氣量的卡曼渦旋式空氣流量傳感器來說，單位時間所產(chǎn)生的渦旋數(shù)量，即渦旋頻率與流體的流速成正比，而流體的流量(體積流量)等于流管的截面積與流速之積，因此通過測量渦旋頻率就可以知道流體的流量。下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器

渦旋頻率的測量有兩種方式，一是通過渦旋產(chǎn)生的壓力變化測定，另一方式是通過流體的流速變化測定。半導體微差壓力傳感器用于前者為了檢測壓力變化，在半導體芯片的中間，利用異向腐蝕法從里面形成正方形的膜片，在壓力變化的作用下，膜片出現(xiàn)機械位移。要想測量膜片的機械位移，可以采用應變測量法或靜電電容變化法等。本節(jié)說明的微差壓力傳感器采用的方法與前面講過的壓力傳感器類似，在硅膜面的表面設置4個測量電阻，并將它們做橋式連接，將壓力的變化轉換成橋式電路輸出電壓的變化，采用雜質擴散法形成的P型擴散電阻作測量電阻，利用半導體的壓阻效應將機械應變轉換成電阻的變化。上一頁下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器

利用半導體微差壓力傳感器檢測渦旋頻率的原理是，微差壓力傳感器設置在發(fā)動機的進氣歧管上，進氣的脈動也會產(chǎn)生壓力的變化，而且這種壓力的變化要比卡曼渦旋的壓力變化大得多，因此，怎樣消除卡曼渦旋以外的壓力變化就成為一個較大的問題。對此，微差壓力傳感器采取的措施是:在渦旋壓力導入管的左右設置渦旋壓力導入口，將渦旋壓力導入管左右交替產(chǎn)生渦旋的壓力變化以差壓方式傳輸至半導體管芯上，而在渦旋壓力導入管的左右脈動等引起的壓力變化完全相等，所以在半導體管芯處互相抵消。上一頁下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器4.5.2微差壓力傳感器的特點

①壓力檢測范圍為1.33x10-4~13.3kPa，且動態(tài)范圍很寬

②耐壓能力高，最高容許壓力為66.6kPa。

③因為是差壓工作方式，所以對卡曼渦旋之外因素引起的壓力變化(同相成分)的靈敏度很低。

④采用氮化膜作半導體芯片的保護，并改進電極片的結構，提高耐環(huán)境性能

⑤把半導體芯片的殼體與渦旋發(fā)生柱作成一個整體件，以縮小體積。上一頁下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器4.5.3半導體微差壓力傳感器的結構半導體微差壓力傳感器是由渦旋發(fā)生柱(下蓋)、上蓋、引線框、半導體管芯、引線、粘合上蓋與下蓋的鉆結劑，半導體管芯與引線框的鍵合材料組成的。上一頁下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器4.5.4加工工藝

(1)硅片工藝

(2)元件工藝

(3)性能檢查上一頁下一頁返回4.5半導體微差壓力傳感器4.5.5半導體微差壓力傳感器的額定值及可靠性評價半導體微差壓力傳感器的額定值見表4-4，其性能保證壓力范圍非常寬，達到了1.33x10-4~13.3kPa。微差壓力傳感器裝于發(fā)動機艙內(nèi)，所以其工作環(huán)境溫度為

-30℃~110℃。半導體微差壓力傳感器的可靠性試驗項目見表4-5。此外，還要進行汽車特有的環(huán)境試驗項目及裝車試驗，各項目均沒有問題的話，說明傳感器性能良好。通過上述各項試驗就可以確認:半導體微差壓力傳感器在發(fā)動機進氣歧管這種苛刻的條件下使用時，將具有足夠的可靠性。上一頁返回4.6發(fā)動機控制用小型壓力傳感器4.6.1傳感器的種類與特點對發(fā)動機進氣量的測定，一般采用的方法是測定通過進氣管的空氣量，市場上銷售的采用電子燃油控制的汽車幾乎都采用這種方法，作為檢測通過進氣管的空氣量的方法，可以分為采用壓力傳感器的間接檢測方式和利用空氣流量計的直接檢測方式。每種方式各有長短，從裝車性與價格上看，優(yōu)秀的是壓力傳感器，從測試精度上看，優(yōu)秀的是空氣流量傳感器。下一頁返回4.6發(fā)動機控制用小型壓力傳感器4.6.2小型壓力傳感器

(1)檢測原理。壓力檢測部位的工作原理是利用了半導體壓電電阻效應，在硅片表面的特定方向上，利用離子注入法等形成四個應變片電阻，在其內(nèi)部利用異向蝕刻法形成膜片部分。在硅片的膜片部分的表面和里面產(chǎn)生壓力差的場合下，硅片內(nèi)所產(chǎn)生的壓縮、拉伸張力，使膜片處的測量電阻的阻值發(fā)生變化。上一頁下一頁返回4.6發(fā)動機控制用小型壓力傳感器(2)檢測元件部分.形成有膜片的硅片在減少封裝產(chǎn)生的熱應力的玻璃底座上形成陽極，同時由于在膜片內(nèi)部空間形成了真空封裝，同時也形成了基準壓力腔，也就是說，過去要構成壓力腔還需要金屬封裝，現(xiàn)在則可以取消金屬封裝，因此，就可以減少部件的數(shù)量與實現(xiàn)小型化。此外，從結構上來看，因為被測壓力是從與真空腔相反的一側加上來的，因此與過去不同，在傳感器元件的表面需要經(jīng)涂敷與膠凝形成表面的保護層，以便確保和原來具有同等水平的耐環(huán)境性。利用鉆結法將底座鉆結到注塑成型的傳感器模塊上。

(3)電路的構成.上一頁下一頁返回4.6發(fā)動機控制用小型壓力傳感器4.6.3特點

(1)小型化

(2)無焊錫結構

(3)耐污損特性與防堵塞性上一頁返回4.7利用微控制器技術的高壓傳感器4.7.1高壓傳感器的特點

(1)采用微控制器結構，將所有部件都布置在一片管芯上。

(2)采用受壓面積最小的封裝結構。

(3)最大限度利用上述(1)、(2)兩點制成體積最小的產(chǎn)品。

(4)通過獨特的膜片加工工藝提高部件的耐壓性能。

(5)傳感器的使用場合:相對壓力或測量壓力最大為5MPa.下一頁返回4.7利用微控制器技術的高壓傳感器4.7.2高壓傳感器的構成對于制造高壓傳感器來說，一般都是把批量生產(chǎn)低壓傳感器(100~400kPa)的技術，加以總結提高，再應用到高壓傳感器的生產(chǎn)上。高壓傳感器的信號處理器是由高精度放大器和調(diào)整電路構成的，高精度放大器的作用是放大惠斯頓電橋輸出的電壓信號，調(diào)整電路的作用是修正傳感器的特性。此外，對汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的過電壓波形、總成生產(chǎn)工序內(nèi)產(chǎn)生的靜電、還有外部進入的電磁波等，都靠在CMOS內(nèi)所形成的內(nèi)部電路加以保護，相關的保護元件都設置在微控制器內(nèi).上一頁下一頁返回4.7利用微控制器技術的高壓傳感器

為了測定相對壓力或者相對大氣壓下的應變片壓力，在硅片的內(nèi)面設置了通孔，并將下部金屬底板與為緩和下部接合層產(chǎn)生的應力而設置的底座玻璃利用靜電接合工藝接合在一起，以確保具有高可靠性的密封性。為了確保高壓檢測組件與金屬底板在高溫下的強度，采用了接合式結構。即使在用于汽車的嚴酷環(huán)境下，也可以確保傳感器的高可靠性。上一頁下一頁返回4.7利用微控制器技術的高壓傳感器4.7.3耐壓設計與評價結果

(1)耐壓設計。高壓傳感器受力的示意圖如圖4-17所示。圖中表示出了在加有壓力的場合下，外加壓力的受壓面積和與此相應的反力的面積。圖中所示的殼體代表安裝高壓傳感器的一側。高壓傳感器采用的是抵消固定部分產(chǎn)生的反力的方式來安裝的，因此，外加壓力與固定載荷之間的關系可按下述的方法來表明。

1)外加壓力與固定載荷

2)對外加應力的結構設計上一頁下一頁返回4.7利用微控制器技術的高壓傳感器(2)極限壓力的試驗結果。各溫度下，傳感器的極限壓力的試驗結果如圖4一18所示。

(3)壓力與出力特性。

(4)可靠性試驗:高溫存放試驗、低溫存放試驗、液層熱沖擊試驗、壓力循環(huán)試驗、過電壓試驗、EMI試驗。

(5)基本規(guī)格。本節(jié)介紹的高壓傳感器的基本規(guī)格見表4一6

上一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器

柴油發(fā)動機的共軌方式就是將高壓油泵所產(chǎn)生的高壓燃油儲存在公共油軌中(儲壓室內(nèi))，再對噴油器內(nèi)的電磁閥控制的噴油嘴的背壓進行控制，實現(xiàn)最佳噴射的電子控制式燃油噴射系統(tǒng)共軌系統(tǒng)的構成如圖4一19所示。下一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器

共軌系統(tǒng)內(nèi)的燃油壓力是利用電磁閥控制高壓泵的燃油噴射量，利用壓縮機進行加壓來調(diào)整的，其燃油壓力是通過設置在共軌上的壓力傳感器(共軌壓傳感器)檢測，利用高壓泵油泵上的電磁閥，按發(fā)動機的轉速和負荷所設定的最佳值進行反饋控制。

上一頁下一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器

以前所采用的高壓傳感器為密封式結構，密封膜片上受壓，以封入的機油作為壓力媒體，在單晶硅壓力傳感器元件上實施壓力一電氣變換為了達到更低的排放，應實現(xiàn)采用共軌壓力傳感器系統(tǒng)整體的高壓力化和高精度化，因此就要求傳感器能夠承受160MPa的高耐壓并具有11%的高精度。傳統(tǒng)結構的高壓傳感器從耐壓與精度兩個方面都難以達到上述要求，因此廠家開始著手設計全新結構的超高壓傳感器。下面就對滿足上述要求的新結構的超高壓傳感器加以介紹。上一頁下一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器4.8.1高耐壓設計新開發(fā)的共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器的結構如圖4一20所示。在外殼一軸桿之間、外殼一共軌之間封裝有超高壓媒體，它所采用的是金屬接觸式密封結構，作為檢測部位變形的傳遞部分，在金屬軸桿上設有較薄的膜片，由此接受燃油的高壓，壓力在膜片部位所產(chǎn)生的應力，經(jīng)鉆結在其上的單晶硅壓電電阻元件實施電氣變換。從結構上看，對傳感器性能影響最大的部件是形成檢測部位的硅傳感器芯片及金屬膜片。設計出金屬軸桿的最佳形狀。要根據(jù)金屬膜片上Si的壓電電阻元件所需要的應力來設計膜片的形狀。上一頁下一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器4.8.2高精度設計金屬軸桿上鉆結的硅單晶壓電電阻元件的應變系數(shù)是薄膜硅多晶壓電電阻元件的3~10倍，靈敏度可以達到3~10倍，這很有利于傳感器特性的高精度化。本節(jié)所述的超高壓傳感器為了精度在一30℃~120℃的工作溫度范圍內(nèi)達到±1%F.S*，所以采用了下述的元件結構和設計方法

①采用(100)的單晶Si底板

②采用最佳的測量配置設計

(1)壓力傳感器的輸出誤差成分。

(2)Si基板的面方位

(3)最佳測量電阻的布置上一頁下一頁返回4.8共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器4.8.3結論以上對滿足160MPa的高耐壓與±1%精度要求的共軌系統(tǒng)用超高壓傳感器的結構與工作原理作了說明。總結起來有如下四點。

(1)關于耐高壓的問題，

(2)關于高精度的問題，

(3)采用(100)的單晶硅基板，通過測量電阻的最佳布置，從而使壓力的非線性成分大致為零。

(4)所介紹的共軌系統(tǒng)用壓力傳感器的壓力精度可達到±1%，這種傳感器可以滿足達160MPa的壓力循環(huán)耐久性試驗。上一頁返回4.9采用壓粉鐵芯的電動助力轉向用非接觸式扭矩傳感器4.9.1概述

(1)EPS系統(tǒng)的結構。EPS系統(tǒng)的結構如圖4-21所示，其是由扭矩傳感器、車速信號傳感器控制組件、電動機以及減速器構成的。轉向盤的操縱力由扭矩傳感器檢測出來，此扭矩信號輸入到控制組件中，根據(jù)扭矩信號和車速信號，控制電動機的電流，實現(xiàn)轉向盤操縱的助力。

(2)扭矩傳感器的工作原理。非接觸式扭矩傳感器的結構如圖4-22所示，扭矩傳感器是由連接輸入軸和輸出軸的扭桿、檢測環(huán)及線圈組成的。下一頁返回4.9采用壓粉鐵芯的電動助力轉向用非接觸式扭矩傳感器4.9.2關于壓粉鐵芯(復合軟磁性材料)(1)開發(fā)目的

(2)復合軟磁性材料的特點

(3)復合軟磁性材料的選擇

(4)與傳統(tǒng)部件的比較

(5)壓粉鐵芯線圈總成在殼體上的裝配

(6)匯總上一頁返回4.10接觸式轉向角度/扭矩傳感器4.10.1前言在對車輛操縱時的舒適性與安全性的要求不斷提高的背景下，停車、低速、高速行車時，無論在任何時候都可以調(diào)整轉向助力的動力轉向系統(tǒng)，已經(jīng)成為必不可少的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的動力轉向系統(tǒng)的控制方式為油壓式，因為必須時時驅動油泵，所以總要產(chǎn)生4一5馬力*左右的能量損耗。從油耗的角度來看，大約形成3%的損耗，而電動式動力轉向系統(tǒng)(EPS)僅在操縱轉向系統(tǒng)時才驅動助力電動機，所以能量的損失比較小，而且結構簡單，還可以節(jié)省占地。下一頁返回4.10接觸式轉向角度/扭矩傳感器

由于這一系列的優(yōu)點，今后對電動式動力轉向系統(tǒng)的需求將會不斷地增大。在EPS上，操縱轉向裝置時，檢測出加在旋轉軸的扭桿部位的旋轉扭矩與轉向裝置的旋轉角度，由電子控制器(ECU)控制助力電動機的扭矩輸出，就需要決定其控制量的扭矩與轉向角度信號的傳感器。就是在這種背景下，才進一步開發(fā)與設計了轉向角度/扭矩傳感器。上一頁下一頁返回4.10接觸式轉向角度/扭矩傳感器4.10.2轉向角度/扭矩傳感器的技術規(guī)格本文所述傳感器的扭矩/轉向角度的檢測部位的結構如圖4一23、圖4一24所示.

本傳感器上，轉向柱一側的轉子與電阻元件的底板制成一個整體件，旋轉工作的電阻元件底板的一側是扭矩的檢測面，另一側上印刷有轉向角度的檢測圖形。扭矩檢測面與設置在轉向管側的轉子配用的電刷保持接觸與滑動，轉向角度的側面與設置在傳感器殼體側的輸出底板上的電刷保持接觸和滑動，在運轉過程中扭桿的扭轉以及轉向裝置轉動時，利用電刷在底板上的觸點位置的變化引起的電阻的變化，根據(jù)技術條件輸出扭矩與轉向角度信號，由此可以看出這種傳感器不可缺少的功能有3項。上一頁下一頁返回4.10接觸式轉向角度/扭矩傳感器(1)車令向操縱性:在運轉過程中，應當賦予轉向器以舒適的操縱感，并供給其響應性好、高精度的信號。

(2)耐久性:在行駛數(shù)十萬千米之后，仍穩(wěn)定地供給無干擾的輸出信號

(3)靜音性能:傳感器產(chǎn)生的機械噪聲非常小。下面就對這種傳感器的操縱性能與靜音性能的開發(fā)與改善的內(nèi)容加以說明.上一頁下一頁返回4.10接觸式轉向角度/扭矩傳感器4.10.3根據(jù)技術條件所采取的措施及結果

(1)操縱性

①操縱性的目標

②提高信號響應性的措施

③車令向管一側轉子(聯(lián)軸節(jié))的設計

(2)靜音性

①關于靜音的設計

②為減輕滑動噪聲的電刷的設計

③為減輕滑動噪聲的底板(電鍍面)的設計

④采取的對策上一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器4.11.1前言近幾年以來，各相關部門都在盡全力對電動助力轉向裝置(EPS)的動力助力控制以及各種電動機控制用的扭矩傳感器進行研究與開發(fā)，今后在動力傳輸系統(tǒng)領域內(nèi)，利用控制發(fā)動機及變速器以及扭矩的最佳分配實現(xiàn)車輛運動控制等時，將會需要大量的扭矩傳感器。

下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器

目前，動力傳輸系統(tǒng)的控制是根據(jù)發(fā)動機的空燃比實施扭矩推測控制的，但這樣的控制將產(chǎn)生110%一20%的過量輸出。如果能夠實現(xiàn)直接檢測發(fā)動機的輸出軸或變速器的輸入軸的扭矩的話，就可以減小這一過量輸出，降低油耗。另外，根據(jù)實際產(chǎn)生的扭矩，通過更精細的控制，還可以改善乘坐的舒適性以及在發(fā)動機診斷上得到應用。上一頁下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器

因為動力傳輸系統(tǒng)的軸是高速旋轉的，而且需要傳輸較大的扭矩，所以就要求其上采用響應速度快、檢測范圍寬的扭矩傳感器。此外，為了在實際的發(fā)動機與變速器上應用扭矩傳感器，也需要實現(xiàn)傳感器的工作溫度范圍寬、體積小。本節(jié)下面將說明小型且容易安裝的磁致伸縮式扭矩傳感器的檢測原理及性能評價結果，而且這種傳感器不需要對軸進行加工就可以檢測扭矩。上一頁下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器4.11.2磁致伸縮式扭矩傳感器的檢測原理磁致伸縮式扭矩傳感器的檢測原理如圖4一25所示。當將扭矩T加到旋轉軸上時，軸表面的張力方向(+45℃方向)以及壓縮方向(一45℃方向)上會出現(xiàn)變形，這時，在張力方向上導磁率增加，而另一方面，在壓縮方向上導磁率減小(磁致伸縮效果)。在導磁率增加的方向上，設置線圈、使磁通能夠通過線圈時，則電感L增加，另一方面，對于導磁率減小的方向來說，L減小。上一頁下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器

如圖4一26所示，L增大的線圈(+45℃檢測線圈)與L減少的線圈(一45℃檢測線圈)為橋式連接，利用鎖定放大器(LIA)對差動電壓進行放大，這樣可以檢測出與扭矩成正比的輸出電壓V0上一頁下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器4.11.3磁致伸縮式扭矩傳感器的結構及特點磁致伸縮式扭矩傳感器是由利用磁性材料加工成圓筒狀的磁環(huán)，及其內(nèi)面鉆結的柔性基板線圈構成的，這種磁致伸縮式扭矩傳感器的傳感頭的結構及其特點見表4一7。上一頁下一頁返回4.11動力傳輸系統(tǒng)用磁致伸縮式扭矩傳感器4.11.4磁致伸縮式扭矩傳感器的規(guī)格設計時設定磁致伸縮式扭矩傳感器的安裝部位為變速箱的輸人軸，扭矩傳感器的規(guī)格見表4—