現(xiàn)在，壓力傳感器是典型的汽車傳感器，它廣泛地應(yīng)用在汽車上。汽車壓力傳感器的歷史開(kāi)始于1979年，用于引擎燃燒控制的多種絕對(duì)壓力傳感器。隨后，它被廣泛地用于高壓場(chǎng)合，如懸掛壓力探測(cè)和空調(diào)制冷壓力探測(cè)。在引入OBD(車載自動(dòng)診斷系統(tǒng))后，壓力傳感器也擴(kuò)展到了低壓場(chǎng)合，如揮發(fā)的汽油泄漏探測(cè)?，F(xiàn)在，壓力傳感器更進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展到了高壓場(chǎng)合，如汽油燃燒噴射和柴油共軌燃燒噴射系統(tǒng)。顯然，壓力傳感器在汽車上有廣闊的發(fā)展前景。

　　壓力傳感器工作原理部分

　　壓力傳感器可以廣義地分為三類：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。

　　下面，本文將先介紹壓阻式壓力傳感器的工作原理，再介紹應(yīng)用于汽車的MEMS技術(shù)智能化硅壓阻式壓力傳感器的工作原理。

　　2.1壓阻式壓力傳感器

　　壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，它是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻元件實(shí)際上就是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作時(shí)需依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。

　　圖1是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)。在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個(gè)擴(kuò)散電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。硅膜片用一個(gè)圓形硅杯固定，兩邊有兩個(gè)壓力腔，一個(gè)和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，接參考?jí)毫?，通常和壓大氣相通。?dāng)存在壓差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差大小。

　　2.2 MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器工作原理

　　為了將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，采用應(yīng)變?cè)韺⒒菟诡D檢測(cè)電橋通過(guò)MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上，使得單晶硅片成為一個(gè)集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換為一體的敏感元件。如圖2所示。

　　當(dāng)硅芯片受到外界的應(yīng)力作用時(shí),硅應(yīng)變電橋的橋臂電阻將產(chǎn)生變化,一般都為惠斯頓電橋檢測(cè)模式。如圖3所示。

　　其輸出電壓表示為：

　　Vo=VBΔR/R(R1=R2.R3=R4.ΔR1=ΔR2.ΔR3=R4)

　　因?yàn)殡娮璧淖兓苯优c應(yīng)力P有關(guān),則：

　　Vo=SPVB±Vos

　　式中：Vo為輸出電壓，mV;S為靈敏度，mV/V/Pa;P為外力或應(yīng)力，Pa;VB為橋壓，V;Vo為零位輸出，mV。

　　單一的硅片芯片只能作為一個(gè)檢測(cè)單元的一部分無(wú)法獨(dú)立完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換,所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測(cè)的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環(huán)靜電封接在一起。PYREX玻璃環(huán)作為硅芯片的力學(xué)固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣,PYREX玻璃環(huán)的孔恰好成為了傳感器的參考?jí)毫η惑w和電極引線腔體。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后，成為一個(gè)可安裝的壓力測(cè)量前端,見(jiàn)圖5.此封裝技術(shù)可以承載至少15MPa的壓力,若經(jīng)特殊處理可承載100MPa的壓力。

　　3 技術(shù)性能分析

　　通過(guò)靜態(tài)特性測(cè)試，MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　重復(fù)性小于±0.2%滿量程

　　遲滯小于0.1%滿量程

　　非線性小于±0.1%滿量程

　　靈敏度為0.02V/kpa

　　該傳感器的分辨率為100pa

　　該傳感器的過(guò)載能力達(dá)200%

　　而普通壓阻式壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)：

　　測(cè)量精度為0.5%(包含線性、重復(fù)性、遲滯指標(biāo))

　　靈敏度為±0.02%FS/℃

　　瞬時(shí)過(guò)載為兩倍滿量程

　　可見(jiàn)，MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器是高穩(wěn)定性、高靈敏度、寬溫度范圍、小封裝尺寸和高質(zhì)量的獨(dú)特組合。其具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

　　4 應(yīng)用于汽車的MEMS技術(shù)智能化硅壓阻式壓力傳感器的信號(hào)智能調(diào)理設(shè)計(jì)

　　如圖3傳感器輸出電壓信號(hào)，Vo=VBΔR/R(R1=R2.R3=R4.ΔR1=ΔR2.ΔR3=R4)在理想狀態(tài)下其信號(hào)輸出是一個(gè)線性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導(dǎo)體傳感器其受溫度的影響比較大。這使得傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)輸出呈現(xiàn)變化,影響讀出精度。對(duì)圖3的電橋加入溫度對(duì)電橋的影響，得出下式:

　　V0=VBΔR/(R+ΔRt)

　　理想狀態(tài)下若ΔRt=0.則Vo=VBΔR/R，但是在汽車應(yīng)用環(huán)境中溫度的影響很大,所以必需采用補(bǔ)償技術(shù)。圖6為一組實(shí)測(cè)得的未補(bǔ)償過(guò)的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線圖。顯而易見(jiàn),在汽車常用的工作溫區(qū),溫度引入的讀出誤差達(dá)到了10%左右,這顯然是不允許的。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補(bǔ)償,為提升工作效率采用激光修調(diào)預(yù)先制作在陶瓷基板上的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是此法有很多的缺點(diǎn)和局限性,并且寬溫度區(qū)的補(bǔ)償后精度也僅為2%~3%,達(dá)不到汽車測(cè)壓的要求。通過(guò)采用數(shù)字化的信號(hào)處理將傳感器的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),并且植入模型算法將輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)補(bǔ)償?shù)揭欢ǖ木确秶鷥?nèi),是當(dāng)代最新的傳感器信號(hào)調(diào)理技術(shù)。

　　信號(hào)處理鏈路框圖,圖7所示。

　　在溫度傳感器的輔助作用下通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分時(shí)讀取壓力與溫度的數(shù)值,通過(guò)可編程增益放大器將微弱信號(hào)放大,再經(jīng)過(guò)ADC量化傳感器的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字處理器計(jì)算當(dāng)前溫度和 壓力下的補(bǔ)償后壓力輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出模擬信號(hào)。而溫度補(bǔ)償則可以通過(guò)通訊接口將參數(shù)寫(xiě)入EEPROM 供數(shù)字處理器計(jì)算時(shí)調(diào)用。如此多的功能部件均可集成制作在一塊單一芯片上,使得ASIC電路很容易和MEMS技術(shù)制作的壓力敏感芯片封裝在一個(gè)小巧的殼體中。

　　在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)測(cè)校準(zhǔn)后的傳感器有效抑制了溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。如圖8所示的多只標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的傳感器寬溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線：不難看出,在寬溫度工作環(huán)境下采用此法校準(zhǔn)的傳感器的讀出溫度已達(dá)到寬溫度的高精度測(cè)量要求,且通過(guò)多通道的通訊接口進(jìn)行校準(zhǔn)的方法與批量制造技術(shù)兼容,實(shí)現(xiàn)制造車用傳感器的高性價(jià)比的要求。

　　汽車上的傳感器很多 ，下面介紹其他傳感器在汽車的應(yīng)用

　　汽車上的傳感器是作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制。

　　汽車上的傳感器是作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制。下面就介紹汽車上傳感器的核心，發(fā)動(dòng)機(jī)控制傳感器和幾種傳感器新產(chǎn)品。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)其采用各種傳感器，是整個(gè)汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣量、冷卻水溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與加減速等狀況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入控制器，控制器將這些信息與儲(chǔ)存信息比較、精確計(jì)算后輸出控制信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)不僅可以精確控制燃油供給量，以取代傳統(tǒng)的化油器，而且可以控制點(diǎn)火提前角和怠速空氣流量等，極大地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

　　如今汽車行業(yè)的發(fā)展促使汽車上的傳感器變得更多，傳感器的特點(diǎn)也使得汽車變得更加智能化，例如胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在每一個(gè)輪框內(nèi)安裝微型壓力傳感器來(lái)測(cè)量的氣壓，并通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將信息傳到駕駛前方的上。輪胎壓力太低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員及時(shí)處理。這樣不但可以確保汽車在行駛中的安全，還能保護(hù)胎面，延長(zhǎng)輪胎使用壽命并達(dá)到省油的目的。胎壓監(jiān)測(cè)傳感器能夠精確地測(cè)量輪胎的氣壓和溫度并將這些信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)桨惭b在車內(nèi)的接收器上。如今車內(nèi)空氣污染對(duì)有車族的健康構(gòu)成了新的威脅，這種威脅主要來(lái)自一氧化碳。隨著有車族數(shù)量的快速增加，車內(nèi)的空氣質(zhì)量開(kāi)始受到關(guān)注。一氧化碳傳感器具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，專門(mén)用于保證車內(nèi)空氣質(zhì)量安全。同時(shí)應(yīng)用簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，可以及時(shí)地監(jiān)測(cè)車內(nèi)空氣質(zhì)量。一氧化碳傳感器分為車內(nèi)空調(diào)內(nèi)外循環(huán)的自動(dòng)切換系統(tǒng)和轎車用、客車用一氧化碳報(bào)警器。

　　人與車科技展2003上展出了車輛防盜用傾斜傳感器，該角度傳感器采用2軸加速度傳感器，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)盜竊時(shí)車輛被托起而導(dǎo)致的車輛傾斜，并發(fā)出警報(bào)，此加速度傳感器為靜電容量式。英國(guó)保險(xiǎn)協(xié)會(huì)2003年4月決定向安裝防盜角度傳感器的車輛提供優(yōu)惠保險(xiǎn)。類似的促銷活動(dòng)今后也將在車輛被盜案劇增的日本展開(kāi)，估計(jì)角度傳感器的市場(chǎng)需求將日趨旺盛。新型厚膜壓阻式無(wú)觸點(diǎn)汽車油壓傳感器，采用厚膜力敏技術(shù)和表面微組裝技術(shù)制作，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油壓力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)油低壓力報(bào)警。已通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和60000次耐久性試驗(yàn)，可直接替代現(xiàn)有雙金屬片滑線式Y(jié)G2221G油壓傳感器。同現(xiàn)有滑線式油壓傳感器相比，具有精度高、無(wú)機(jī)械部件觸點(diǎn)、可靠性高、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、能同數(shù)字化儀表匹配、成本低，性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。

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