了解汽车压力传感器.doc

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1、了解汽车压力传感器 图1、此图是包含压阻汽车压力传感器的硅片，用于测量0.65mm2的管芯无论在引擎、轮胎还是在乘客车厢内的应用，合适的压阻汽车压力传感器（图1）都可以拥有经济高效的可靠性和较长的运行寿命（见补充报道侧面气囊压力传感器）。这里的关键字是“合适的”。为了选择正确的传感器，你需要了解它的功能、运行的条件以及使其独特的设计。 功能 设计师们主要将汽车压阻式压力传感器应用于三个领域：引擎优化、喷射控制以及安全增强。在第一类应用中，这些设备使你能够通过确定引擎控制元件中的歧管入口气压（MAP）以及大气气压（BAP）来达到优化引擎条件的目的。 为了实现更好的喷射控制，传感器作为蒸汽喷射控制

2、系统的重要组件，保护环境，远离来自邮箱的碳氢化合物喷射的污染。它们还可以通过在柴油机中触发过滤器再生，有助于清除废气中的煤烟微粒。在增强安全性方面，传感器监视胎压，并在探测到压力损耗达到危险程度时警告驾驶员，并帮助在侧面受冲击的部位安放气囊（见补充报道胎压传感器）。这些设备通过控制动态座位中的膨胀气垫使驾驶更为舒适。 运行条件 在整个仪表盘上，汽车压力传感器工作在极端糟糕的环境中。安装在引擎上的传感器的运行温度在-40到150之间。相同的传感器及胎压监控设备被暴露在燃料、汽油以及刹车和传动液体中，所有这些都可能阻碍传感器的工作，影响他们的性能。同时，盐水和溶剂也在侵蚀器件的结构。在这些应用中，

3、电磁干涉（EMI）范围在曝光量为200V/m时从2MHz到2GHz。乘客车厢中的压力传感器暴露在相同的EMI和低温环境中。 尽管这些条件带来了很大挑战，但它们并不是不可克服的。合理的设计在保护传感器的同时，还实现了可靠性和长时间的运行寿命。 侧面气囊压力传感器 最佳的侧面冲击保护是一项挑战性的任务，尽管通常撞击的速度相对较低。在车体中可吸收冲撞能量的侧面空间要小得多，并且气囊和乘客之间的距离也小得多。确实，每一英寸的距离都可能挽救生命并阻止严重的伤害。 当遇到非常严重的侧面冲击时，压力传感器通过测量速度和车门空腔内的压力来获得宝贵的反应时间。甚至在附着于气囊控制器件上的加速计接收到严重撞击的信

4、号之前，压力传感器就已经探测到车门已经被一起事故压扁。这种早期探测为气囊控制器延长了额外的时间以进行复杂的几何运算，并确定气囊调度策略，从而提供最佳的乘客保护方案。 车门空腔内的不利条件使应用变得复杂。夏天和冬天的温差很容易超过100，相对封闭却不是完全密封，门的自然属性使其可以在这一空间内收集水蒸气以及浓缩液体。增加冰冷湿气的可能性 混入盐、喷雾以及其它不利物质 还有振动和冲击，问题变得更加严峻。严格的资格测试程序包括机械和化学测试以及精密的自诊断功能，尽管测试十分严格，但是一旦出现问题，就可以阻止不利结果的产生。 设计 设计和制造车用压力传感器时的基本要求确保了在一系列温度、振动、媒介、冲

5、击以及电磁条件中，传感器还能够执行重要职能（表1）。艰苦的环境要求对传感器电学结构提供更大的保护来应对增压媒介。 最后，微机械硅膜上的压阻桥通常不会直接暴露在它所运行的环境中。相反，保护性硅树脂凝胶覆层或者金属帽，形成一个位于传感器前端和恶劣环境之间的一道屏障，就像在MAP和BAP应用中使用的一样（图2）。现场防护罩和贵金属也用于保护传感器的电学结构不受增压媒介的影响，主要是保护传感器的前面不受媒介的影响，让有硅的背部暴露在恶劣的环境中。这种方法被普遍用于胎压监视器和MAP传感器中。 选择传感器 在选择压力传感器的时候，要考虑三个关键的因素：可靠性、寿命和成本。传感器在全部寿命时间内要一直工作

6、。它需要可靠工作10至15年，或者150000至250000英里。最终，基于汽车工业成本因素的考虑，传感器必须具有经济性。 图2、微机械硅膜上的压阻桥上有一层硅树脂凝胶覆层，见本图中的结构物右侧底部的淡蓝色区域，它能保护气囊压力传感器免受恶劣环境的影响。可靠性是多种传感器特性综合的一个结果。电输出、精确性、操作环境以及机械耦合在选择汽车压力传感器时是非常重要的考虑因素。或许，最重要的是可靠性和可重复性。传感器的温度和压力响应是可预测的。厂商可以通过不同测试和严格的资格审核程序确保其传感器的可重复性。这类基准包括在温度从低到高增加时的循环温度，反之亦然，以及在高温浸透测试中的材料降解，并通过应用

7、恒定和/或者变化的温度以及机械应力来被一步增强。由于传统的汽车资格标准，如AEC-Q100，是专门用于满足CMOS电路的，对于压力传感器还没有已经制定好的标准，因此需要很多经验来完成这种资格审核测试。 在某种程度上，长运行寿命依赖于封装和装配，而这通常会比传感器本身的成本更高。封装成本、尺寸以及满足路面恶劣条件要求的能力非常重要。过多暴露在汽油以及高压环境中就要求传感器生产商采用合适的材料和安装方式。 就像在多数大规模生产的行业一样，高产量汽车制造主要关注的就是降低成本。汽车制造商试图保持元件低价格，这就向MEMS传感器厂商提出了一项挑战，这个难题可能影响到消费者。将一个压力传感器推向市场可能

8、需要四年的时间，而在绝大多数MEMS供应商中，只有少部分厂商能够提供满足你要求的传感器。随着需求的增加，一些类型的传感器可能会比较稀少。 胎压传感器 胎压监控系统（TPMS）是压力传感器比较旧的一种应用。最初，由于成本较高，它主要用于高端和高性能的车辆中。最近，由于认识到轮胎充气不足可能导致事故的发生，美国的法规推进了这一应用的发展，并且国家公路交通安全管理委员会要求汽车制造商于2008年在所有轿车和轻型卡车上安装TPMS。 有两种TPMS可供选择。第一种利用间接测量，它依赖于轮胎直径对压力损失响应的微小变化。该系统根据由防抱死制动系统提供的轮胎速度测量探测并计算变化量，无需压力传感器。但是，

9、这一技术不能探测全部四种轮胎中的同步压力损耗，因此，不能够满足美国管理委员会的要求。因此，必须使用基于直接测量的第二种系统。在这种情况下，包含一个压力传感器、动作开关以及无线发射器的电子设备被安装在轮胎的阀杆或者车轮内来进行测量。传感器通过无线电信号将膨胀压力水平信息发送到汽车内的接收器中。 两种TPMS系统都有一个仪表盘指示器，以提醒驾驶员一个或多个轮胎的压力水平已经低于推荐压力的25%。人们认为直接方法比间接方法要更为准确，但一位行业专家指出，更高的精确性使每辆汽车的成本增加了$65到$80。一套包含压力传感器、电子设备以及一个无线发射器的系统，其市场可接受价格为每个车轮$12-$15。高产量制造可以将价格压低到$10。 由于典型的压力传感系统是由电池供电的，它的工作电压从2.5V到3.6V，电压低于2.5V时就会发出低电压警报。传感器的量程为4.5到8巴纯压力，温度范围从-40到125。