（电工理论与新技术专业论文）汽车发动机进气歧管压力传感器关键技术的研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 r e s e a r c ho ns o m ek e yt e c h n i q u e so fm a n i f o l d a b s o l u t ep r e s s u r es e n s o ri nv e h i c l em o t o r a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d ea ni n c r e a s i n gn u m b e ro fs e n s o r sa n da c t u a t o r sh a v eb e e n e m p l o y e di na u t o m o t i v es y s t e m s t h ef i r s tr e a s o ni st h a tt h ec o r r e c to p e r a t i o no f m o d e r n e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d e n g i n e s i sb a s e do nah i g hn u m b e ro f m e a s u r e m e n t s m o r e o v e rt h eg r o w i n gd e m a n do ns e c u r i t ya n dc o m f o r tp u s h e s t o w a r da ni n c r e a s i n gu s eo fs u i t a b l es e n s o r sa n da c t u a t o r s s om a n ys c h o l a r sp a y m o r ea t t e n t i o nt ot h eo n - b o a r df a u l td i a g n o s i so fe n g i n es e n s o r s t h ef u n c t i o no f m a n i f o l da b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r si sr e f l e c t e dt h ev e h i c l e m o t o rl o a d i n g s i t u a t i o nb yd e d e c t i n gt h ea i rp r e s s u r ei nt h ei n t a k ea i rb y p a s s ( i a b ) o rs t a b l e p r e s s u r eb o x t h e nt h ev e h i c l em o t o rl o a d i n gs i t u a t i o ni sc o n v e r t e dt os i g n a l i n p u te c u f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h et e c h n o l o g yo ft h ea u t o m o b i l es e n s o r s ， a sw e l la st h ed e v e l o p m e n ta td o m e s t i ca n da b r o a d ，a n dt h e nc o m p a r e ds e v e r a l c o m m o ns e n s o r sp e r f o r m a n c e s t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n do u t p u ts p e c i a l i t yo f t h em a n i f o l da b s o l u t ep r e s s u r es e n s o ra r ei n t r o d u c e dh e r e t h i sd i s s e r t a t i o n c o n d u c t e df u n d a m e n t a lr e s e a r c hi n t os e v e r a lk e yi s s u e so fh e r m e t i cm e m sa n d o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s b yi n t e g r a t i n gt h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d e x p e r i m e n t s t h er e s e a r c hw o r kh a sb e e nf o c u s e do nt h ei n d i v i d u a ls t e p so f p r o c e s s i n g ，s u c ha sc l e a n i n g ，d i ea t t a c h ，w i r eb o n d i n g ，a n dh e r m e t i cs e a l i n g ( c a p p i n g ) ，a n dc o m eu pw i t ht h ek e yi s s u e st oe n s u r et h es t a b l ea n dr e l i a b l e p a c k a g i n gp r o c e s s e s a st ot h ed e s i g no fh a r d w a r e ，e v a l u a t i o nb o a r dc i r c u i t d i a g r a m sa r ep r e s e n t e dt op r o g r a m m e rf o rp r e s s u r es e n s o r s t h es e n s o r sm o d u l e i sa l s op r e s e n t e di nd e t a i l t h ec a l i b r a t i o n e x p e r i m e n to fm a ps e n s o rw a s c o m p l e t e do nac a l i b r a t i o ne x p e r i m e n ts t a g ew h i c hw a sd e s i g n e db yu s i t sl i n e a r m o d e l sa r ea c h i e v e do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t af o rak i n do fc o m m e r c i a l 1 1 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 p r e s s u r es e n s o r s a n dam u m b e ro ft e s td a t aw e r ea c q u i r e dw h i c hi sa p p l i e dt o f o u n dm a t h e m a t i cm o d e l s a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ed e v i c ef o re n v i r o n m e n tp e r f o r m a n c e t e s t u s e dt h eu n i g r a p h i c ss o l u t i o n sc o m p a n yo fu gs o f t w a r ed e s i g n e dt h e p r e s s u r ec o n t a i n e rm a d eo f a l u m i n i u m r e s u l to ff u n c t i o na n de n v i r o n m e n tt e s ti s g i v e na tt h ee n do ft h et h e s i s a l lf u n c t i o n sm e e ta c q u i r e m e n t ，i t sa c c u r a c yi s b e t t e r i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s o m e c o n c l u s i o n sf r o mt h i sp a p e rh a v eb e e np r o v e d i d e a sf o rf u t u r ew e r ea l s o p r o p o s e d k e y w o r d s m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ss e n s o r s ，m a n i f o l da b s o l u t e p r e s s u r es e n s o r , p a c k a g i n gp r o c e s s ，c a l i b r a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车发动机进气歧管压力传 感器关键技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：赵幺日期：2 p 护尸年4 - 月驴日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 汽车发动机进气歧管压力传感器关键技术的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 志磊 嘭力 ? 扩 月 片 孕 华 年 年 p ， 尸 丫少 p 口 2 多 期 期 哈尔滨理工火学t 学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 汽车电子控制系统一直被认为是微机电系统( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m s ，简称m e m s ) 压力传感器的主要应用领域之一，可用于测量进气歧管 压、大气压、油压、轮胎气压等，表1 1 显示出一些主要用途【。 表1 - 1 汽车压力传感器用途 测试项目用途 进气歧管压力测量点火提前角控制、空燃比控制、废气循环控制 大气压测量空燃比修正 气缸内气压测量爆震控制 燃油喷射压力柴油共轨各级系统 充气压力测控安全气囊系统 传动油压变速自动控制 制动油道油压制动系统 悬挂液压悬挂系统 轮胎气压轮胎气压监测 最流行的汽车m e m s 压力传感器采用压阻式力敏原理，这是现有几种力 敏传感器中用量最大的一种，开发出几代产品，年产量为数千万只。这种传感 器用单晶硅作材料，以m e m s 技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片 上扩散杂质形成4 只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路， 来获得高灵敏度，其输出大多为0 - - 5v 模拟量，测量范围取决于力敏膜片的 厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，易于批量生产，力敏芯片受温 度影响性能采用调理电路补偿【2 1 。 汽车用压力传感器被称为是军品的质量、民品的价格。其环境实验要求是 极为严格的。封装好的传感器通过严格的环境测试后，一般能保证0 1 o 3 e s 的稳定性，即使经受最严格的长时间测试，仍能维持1 e s 的稳定 性。信号调理电路和标定及封装也是生产中的极其关键技术，科技含量超过力 哈尔滨理工大学工学硕二l 学位论文 敏芯片的制作。例如，测量燃油喷射的压力传感器长期与液态燃料接触，并承 受高压，组装固定和安装尺寸的设计，涉及到大量的结构分析、机械应力测 试、介质暴露测试、电路修正等技术f 3 1 。 目前，可以提供汽车m e m s 压力传感器的有美国凯乐尔、特种测量、 s s i 、菲尔科、德州仪器、德国博世、日本电装等公司，一般年产量在1 0 0 万 只以上，这是汽车量产的需求，也是回收巨额投资的条件。部分厂家已研制成 功力敏芯片与外围信号处理电路集成化的汽车m e m s 压力传感器，估计今后 的价格会降至5 7 美元。博世公司采用表面m e m s 技术，研制出微型化的硅 质量流量传感器，很多汽车厂家正对这种新型传感器进行评估【4 j 。 1 2 汽车传感器现状及发展趋势 电子技术的发展和进步促进了汽车工业的发展。随着汽车电子设备不断更 新，各种用途的传感器越来越多地出现在汽车上，特别是计算机在汽车上的应 用，更加确定了传感器在汽车电子设备中的重要地位。 传感器是一种变换器，它可把物理量、电量和化学量等信息变换成计算机 能够理解的电信号，这种变换包括能量形态的变换，所以也称为换能器。在某 些控制系统中，传感器是系统的关键部件。如图1 - 1 所示，如果没有各种传感 器，计算机或微处理器的控, u 贝s j 根本无法实现。另外，汽车上的各种仪表指示 的数据也都是通过传感器的检测得到的，因此，了解汽车传感器的现状及发展 趋势，对于促进汽车电子的发展具有重要意义【5 1 。 1 - j i 一j 1 。一 图1 - 1 控制系统的信息处理过程 f i g 1 - 1t h ec o n t r o ls y s t e mf o rm e s s a g ep r o c e s s i n g 1 2 1 汽车传感器特点 汽车是用不着接受专i - j i ) j l 练的人就可以乘坐的交通工具。由于这一特点， 用于汽车的传感器受到了种种限制。 1 精度要求高对于汽车用传感器的精度要求位于家电和计测之间，要求 1 或1 以下的精度，见表1 2 。从表中可以看出，汽车要求传感器在4 0 + 1 2 0 的范围内长期工作，抗振为1 5 0 20 0 0h z ，耐冲击能达到：从1 米高 处落在混凝土上而不引起精度的下降，并能抗电磁干扰、耐腐蚀。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 表1 - 2 汽车用传感器与家电、检测、航空用传感器的性能比较 t a b l e l 2t h ec o m p a r t i o no fp r o f o r m c eb e t w e e na u t o m o b i l es e n s o r s ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ， d e t e c t i n ga n da v i a t i o ns e n s o r s 项目汽车用家用电器用检测用航空用 工作温度 4 0 - + 1 2 01 0 - + 5 00 - + 4 0 5 5 一+ 7 0 电压波动( ) + - 5 01 01 01 0 耐振动 2 - 2 5 9 - 5g - 1g 0 5 - 1 0 9 精度( ) = 1 1 以下 o 1 1 0 1 1 使用者一般大众一般大众一般技术人员机械师 2 环境适应性汽车的使用环境非常恶劣，有来自发动机产生的热、振 动、汽油和油的蒸气，以及轮胎的污泥、飞溅的水花，可概括为温、湿度等气 候条件，振动冲击等机械条件，电源、电磁干扰等电气条件，或简单地归纳为 温度、湿度、振动等物理环境、过电压电磁波等电气环境。 3 批量生产为了使传感器能用在适合于一般用户购买力的成本而生产的 汽车上，必须要求传感器具有批量生产的可能性，换句话说，汽车传感器在保 障其性能的基础上，成本尽可能低，而且通过简单的调整就能更换。 4 稳定性汽车的交通事故和人命息息相关，因此汽车传感器与飞机用传 感器一样，有高可靠性要求，要绝对可靠地工作，甚至它比飞机用传感器有更 高的要求，因汽车又同家用电器一样，本身价格便宜，使用者是一般大众，因 此，要求汽车传感器价格低，性能价格比高。 5 法规制度车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键 技术之一。目前一般普通汽车装有几十到近百只传感器，而高级豪华汽车大约 使用2 0 0 - 3 0 0 只传感器。不但使用数量越来越多( 目前汽车行业是传感器的最 大用户) ，而且它相对汽车的机械部分、电气部分、计算机软硬件、数据处理 等都起步较晚，因此世界各国对汽车用传感器的研究、开发、提高性能、减少 尺寸与价格都非常重视。由于燃料排气法规的限制，迫使汽车制造厂家在汽车 上大量应用电子及自动控制技术，而传感器是这些先进技术的“眼睛。一般 传感器变成的电信息都比较弱，即信噪比较小，容易受到外界噪声的干扰；汽 车传感器是把各种动态、静态的物理量，在复杂的工作条件下变成电量的，是 机电、化学等的结合体。因此，它的精度及可靠性对汽车非常重要的两个参数 都比较低，而豪华车的种种先进功能都离不开它，所以有人说，目前汽车的竞 争乃是车用传感器的竞争【6 i 。 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 1 2 2 汽车传感器的应用现状 汽车已成为现代社会不可缺少的重要交通工具，因而它的安全设计、低公 害、高燃率及舒适性越来越受到社会的重视。随着微型计算机信息处理功能的 提高，汽车电子化的发展速度之快令人瞠目。在对于实现多样化的过程控制 中，检测这些控制参数的传感器的开发成为汽车电子化的关键。可以说，现代 化的汽车没有传感器就不能存在，确实如此，美国通用汽车公司的每台车上配 有3 6 只传感器，日本丰田轿车上装有传感器少则2 0 只，多则4 0 - 5 0 只，而 日本拥有的汽车早已超过30 0 0 万辆；美国1 9 8 6 年汽车传感器的年产量就有1 亿多只，销售额数亿美元，已成为世界上必不可少的高级商品，因此从一定意 义上讲，汽车的竞争则是传感器的竞争。 汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键 部件，在汽车上得到了广泛的应用，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之 一。目前，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上 的传感器数量可多达2 0 0 多只。据报道，2 0 0 0 年汽车传感器的市场为6 1 7 亿 美元( 9 0 4 亿只产品) ，到2 0 0 5 年将达到8 4 5 亿美元( 1 2 6 8 亿只) ，增长率为 6 5 ( 按美元计) 和7 o ( 按产品只数计) 。汽车传感器在汽车上主要用于发动机 控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。 许多传感器厂为了增强产品的竞争力，采用与国外同行业进行合资经营的 方式，消化吸收国外先进的传感器技术，使产品升级换代，从而逐步发展壮 大，有些已成为几大“电喷 系统厂家的下游供应商。但绝大多数企业还只是 配套生产其他车用传感器，处于利润少、产品单一、产品重量和技术水平低下 的状况m 。 1 2 3 汽车传感器的发展趋势及意义 未来汽车传感器技术的发展趋势是微型化、多功能化和智能化。微型传感 器利用微机械加工技术，将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封 装在一块芯片上，由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以明显地 提高系统测试精度。当前，该技术逐步成熟，可以制作检测力学量、磁学量、 热学量等各种微型传感器。多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上的 特征参数或者化学参数，从而减少汽车传感器的数量，提高系统的可靠性。例 如日本研制出复合压阻传感器，一个芯片可同时检测汽车压力与温度。智能化 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 是指传感器与大规模集成电路相结合，带有c p u ，具有智能作用，以减少 e c u 的复杂程度，减少其体积，并降低成本。与传统传感器相比，它具有很多 特点，例如可以确定传感器工作状态，对测量资料进行修正，以便减少环境因 素( 如温度) 引起的误差；用软件解决硬件难以解决的问题；完成资料计算与处 理工作等【8 j o 未来的汽车用m e m s 技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化 和智能化。多功能化是指利用一种材料或在同一个芯片上制作出能检测2 个或 3 个以上的不同物理特性参数的传感器，从而减少汽车车载传感器的总数量， 以达到整车的系统可靠性1 9 1 。集成化是指利用i c 制造技术和精细加工技术制作 i c 传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合并带有微处理器、自 检、自校、信号传输和放入电路等智能作用。随着微电子技术的发展和电子控 制系统在汽车上的应用迅速增加，汽车传感器市场需求将保持高速增长，以 m e m s 技术为基础制作的传感器必将成为世界各国汽车用传感器的主流【1 0 l 。 新型传感器的出现，将会进一步改善汽车的性能，推动汽车工业的发展。 1 3 国内外研究现状 全球汽车电子化及汽车计算机控制系统的兴起，推动了汽车m e m s 传感 器的发展。在汽车上所有系统中，几乎都能找到m e m s 的用武之地，车越 好，所用的m e m s 就越多。b m w7 4 0 i 汽车上就有7 0 多只m e m s ，德国海拉 集团在欧洲售后市场提供2 5 0 种汽车传感器，很多传感器可用m e m s 替代。 据报道，2 0 0 6 年汽车m e m s 传感器的销售额为4 2 6 亿美元，预计2 0 0 8 年将 增长到6 3 5 亿美元，有人预测其市场增长更大。总之，在今后的汽车传感器会 进一步占有更人的份额【1 1 j 。 m e m s 传感器的大批量高精度生产和高可靠性及单价廉价，特别适宜在汽 车电控系统中应用，博世公司以产品系列完整性而引以为荣，汽车m e m s 传 感器超过3 5 种型掣1 2 1 。风险投资家依然青睐m e m s ，被视为新兴产业，2 0 0 1 年 1 季度对m e m s 公司投资5 1 亿美元，一些新建m e m s 工厂即将投入生产， 另一些半导体厂家也将相继加盟，美国已成立m e m s 工业组织，将会进一步 推动其发展。 汽车m e m s 传感器所用材料从单晶硅、多晶硅、石英晶体向其它新型材 料发展。例如，采用磁电阻材料研制用量很大的制动防抱死系统的轮速传感 器，以期替代现在使用的变磁阻式传感器。生产工艺上开发出非硅基加工的微 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 电火花加工、微电铸、激光加工、表面贴装等技术，硅基加工技术也有多种发 展【1 3 l 。在国内，m e m s 传感器的基础性科研开发取得显著成果，但尚未具备大 批量生产的能力，与国际上的产业化存在相当差距。国产汽车在2 0 1 0 年将达 到6 0 0 万辆的生产能力，所需用的传感器多达百余种，发展前景诱人。从市场 需求出发，结合多种力量，促进汽车m e m s 传感器的产业化将是m e m s 的一 个重要方向，也是其科技转化生产力的市场平台。 我国m e m s 的研究始于九十年代初，起步并不晚，在“八五 、“九五 期间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科 工委的支持。经过十年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微 系统样机等方面己有一定的基础和技术储备，初步形成了几个m e m s 研究力 量比较集中的地区。包括京津地区，如清华大学、北京大学、中科院电子所、 信息产业部电子1 3 所、南开大学等；华东地区，如中科院上海冶金所、上海 交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门 大学等；东北地区，如信息产业部电子4 9 所、哈尔滨工业大学、中科院长春 光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等；西南地区，如重庆大 学、信息产业部电子2 4 所、4 4 所和2 6 所等；西北地区，如西安交通大学、航 空6 1 8 所、航天7 7 1 所等。这些因地域而组成的研究集群，己形成彼此协作、 互为补充的关系，为我国的m e m s 研究打下良好的基础。 经过十年发展，我国己在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感 器和致动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操 作系统、硅和非硅制造工艺等方而己取得一定成果。现有的技术条件己初步形 成m e m s 设计、加工、封装、测试的一条龙体系，为保证我国的m e m s 技术 进一步发展提供了较好的平台。但是由于历史原因造成的条块分割、力量分 散，再加上投入严重不足，尽管己有不少成果，但在质量、性能价格比及商品 化等方而与国外差距还很大1 1 4 1 。 1 4 本文的主要研究内容 研究并选择先进的压力传感器集成电路裸片，按工艺要求绑定在规定材质 的电路板上，然后进行特种工艺的焊接，采用专用开发工具，将发动机要求的 特性曲线编制到集成电路中；研究传感器的非线性校正技术，对传感器进行温 度系数、线性度等影响精度的因素进行全部校准，以达到发动机要求精度和使 用条件；研究电磁兼容和封装技术，对压力传感器进行可靠性和工艺设计；研 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 究压力传感器的自动标定技术，将研发智能探头、计算机控制、智能化、曲线 拟合和误差分析引入到压力传感器的标定过程中，以大幅度提高了标定的效率 和可靠性，开发批量标定校准设备。 1 拟解决的关键技术要解决的关键技术如下： 1 ) 传感器的非线性校正技术敏感元件对压力的响应存在严重非线性关 系，在使用时必须对每个压力敏感元件进行参数标定和温度补偿，使压力传感 器的输出与输入的关系为单值函数，即用于发动机进气歧管的压力传感器存在 非线性校正问题。 2 ) 传感器压力敏感元件的灌封及外壳工艺设计，为了在实现精确压力测 量的同时保证外部污染物不会渗入传感器或对其造成损坏，必须采用多重密 封。压力敏感介质必须与传感器紧密接触以实现可靠测量，并能抵抗造成输出 漂移的应力以及电气连接的腐蚀。选用的灌封及硅片粘贴材料在固定和钝化敏 感元件的同时，应能耐受发动机进气系统中的油气以及冷凝的酸性和离子污染 物。封装尺寸受到内部元件的限制，还必须考虑汽车制造商所选用的连接器、 压力接口和固定框架的尺寸。因此，设计过程要有大量的结构分析、机械应力 测试和介质暴露测试。 3 ) 传感器的自动标定技术，由于压力传感器在使用时必须参数标定和温 度补偿，若采用手工操作状态，则存在效率低、操作人员不易掌控、标定结果 处置复杂等情况。因此，需要开发针对压力传感器的自动标定技术，该技术将 计算机控制、智能探头、曲线拟合和误差分析引入到压力传感器的标定过程中， 以大幅度提高了标定的效率和可靠性。 2 拟采用的方法、技术路线及工艺流程在本项目的研究过程中要对国内 外研究现状进行充分分析，归纳出文献报导的热点问题，通过对国外研究现状 和研究成果的分析比较，力争掌握传感器的最新技术，归纳出课题研究的重 点、难点问题，通过技术细化研究，突破关键技术；在研究过程中，特别要注 意理论分析与实验研究的结合，通过二者的紧密配合，开发出实用型产品。采 用的技术路线如下： 1 ) 进行充分的市场调研，分析比较多个公司不同型号的可编程传感器裸 片，选择适用的先进芯片； 2 ) 搭建标定所需的实验开发平台，包括：编程器、正压力气源、负压力 气源、气路、电磁阀、基准检测器等； 3 ) 开展在线标定和实验研究，摸索经验； 4 ) 进行工艺设计，完成样机开发，工艺设计对研究成果的应用转化很重 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 要； 备。 5 ) 研究传感器自动标定技术，提高标定效率和可靠性，开发批量标定设 工艺流程如图1 - 2 所示： 选 芯 非 择 片线模 传 绑压性块 感 定焊参 封 器 到封数装 d 电 胶 的测 路标试 片 板定 图1 - 2 传感器工艺流程图 f i g 1 2s e n s o rp r o c e s sf l o w s h e e t 3 主要技术指标及技术水平基准工作电压为5v ；要求使用环境温度是 在一4 0 + 1 2 5 之间；使用压力范围为绝对压力1 0k p a 一- - 3 0 0k p a ；精度 要求是1 2 。就目前而言这项技术直接与国际先进技术接轨，达到汽车欧 标准对该传感器的要求。 哈尔滨理工人学t 学硕上学位论文 第2 章进气歧管压力传感器 2 1 进气歧管压力传感器在发动机中的作用 对于空气量的检测方法分为体积流量型( 进气压力传感器) 、质量流量型( 空 气流量计) 。这两种方式，体积流量型是将物理量转变成电信号输送至e c u ， 质量型直接测量空气质量，并将质量信号转换成电信号输送给e c u 。在l 型 燃油喷射系统中，其进气量测量所用的传感器分体积流量型传感器和质量流量 型传感器【1 5 i 。 进气岐管压力传感器i ( m a n i f o l da b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r ，简称m j 所在位 置如图2 1 。它同时还会监测进气温度感知器i a t ( i n s i d ea i rt e m p e r a t u r e ) ，而 且m a p 和m a f ( 空气流量计) 作用不一样，他们通过检测同一介质的不同度量 状态来提供给p c m 更全面的参与数据。同时也对s v “可变气门正时系统) 、 v a d ( 自动监测) 、v i s ( 可变惯性进气系统) 、v t c s ( g 变涡流进气系统) 起到比 较、控制作用。进气压力传感器可以根据发动机的负荷状态测出进气歧管内的 绝对压力，并转换成电信号和转速信号一起送入计算机，作为决定喷油器基本 喷油量的依据。 图2 - 1 进气歧管压力传感器所在位置 f i g 2 - 1m a p s e n s o r sp o s i t i o n 国产奥迪1 0 0 型轿车( v 6 发动机) 、桑塔纳2 0 0 0 型轿车、北京切诺基( 2 5 l 发动机) 、丰田皇冠3 0 轿车等均采用这种压力传感器。目前广泛采用的是半导 体压敏电阻式进气压力传感器【1 6 1 。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 2 几种进气歧管压力传感器 进气歧管压力传感- 器r ( m a n i f o l da b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r ) 简称m a p 传感 器。m a p 值是由大气压力值与进气歧管真空度合成的，或者说是进气歧管外 大气压力与进气歧管内真空度的差值。m a p 是相对于零压力( 高真空) 而讲的。 大气压力、进气歧管真空度和m a p 三者的关系：m a p 是大气压力与真空度之 差，如图2 2 所示。 大气压力标准 0 压力 图2 - 2 大气压力、真空度、m a p 三者的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o n s h i po fa t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，v a c u u md e g r e ea n dm a p 进气歧管压力传感器简称为进气压力传感器，它的种类较多，就其信号产 生原理可分为压阻式、电容式、膜盒传动的差动变压器式和表面弹性波式等， 其中电容式和半导体压敏电阻式进气压力传感器在当今发动机电子控制系统中 应用较为广泛。 2 2 1 压阻式进气压力传感器 压阻效应是单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化的现 象，称为压阻效应。利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具 有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点，因此目前得 到广泛应用。早期的压阻式传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻式传 感器。2 0 世纪7 0 年代以后，研制出了圆周边缘固定的硅膜片与力敏电阻一体 化的扩散型压阻式传感器【1 7 1 。这种传感器易于批量生产，能够方便地实现微型 化、集成化和智能化，因而受到普遍重视，并重点开发具有代表性的新型传感 器，发动机燃油喷射系统采用的压阻效应式歧管压力传感器就是其中的一种。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 压阻效应式歧管压力传感器的结构：进气歧管压力传感器的全称是进气歧 管绝对压力传感器，其功用是通过检测进气歧管或稳压箱内空气压力来反映发 动机的负荷状况，并将发动机负荷状况转变为电信号输入发动机控制单元 ( e c u ) 。进气歧管压力传感器是一种间接测量发动机进气量的传感器。燃油喷 射式发动机采用的歧管压力传感器主要有压阻效应式和电感式( 即波纹管与差 动变压器组合式) 两种。其压力变换元件是利用半导体的压阻效应制成的硅膜 片。硅膜片的一面是真空室，另一面导入进气歧管压力。硅膜片约为3m m 的 正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2m m 、厚约5 0m m 的薄膜，薄膜周围 有4 个应变电阻，以单臂电桥的方式连接。由于薄膜一侧是真空室，因此薄膜 另一侧即进气歧管内绝对压力越高，硅膜片的变形也就越大，其应变与压力成 正比，附着在薄膜上的应变电阻阻值随应变成正比变化，这样就可以利用惠斯 顿电桥将硅膜片的变形转换成电信号。因为输出的电信号很微弱，所以需用混 合集成电路进行放大后输出。这种半导体压敏电阻式进气压力传感器输出的信 号电压，具有随进气歧管绝对压力的增大呈线性增大的特性【1 羽。 图2 - 3 压力传感器测量部分等效电路图 f i g 2 3t h em e a s u r e sp a r to fp r e s s u r es e n s o re q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 图2 3 中的4 个应变电阻为提高传感器的灵敏度一般都采用差动电桥方 式。即恐和风在膜片变形时受到拉力，电阻是随压力加大而变化的；r l 和尺3 是受压力的，电阻随着压力的增大而减少的，这种接法比单桥臂( 即一个桥臂 接应变片) 和双桥臂式的接法提高输出电压2 倍和4 倍左右( 各桥臂用相同电阻 的应变片情况下) 。早期也有采用单臂式电桥，双臂式电桥( 即r 2 、飓或j r l 、风 分别采用受拉和受压的桥臂1 。这种半导体应变片比金属应变片有精度高、尺 寸小、重量轻、易于生产、通用性强、测量范围广等优点。所以4 个臂半导体 应变片接成差动电桥形式是目前进气压力传感器最先进的一种【1 9 】。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 硅片一般用线膨胀系数接近于单晶硅f 线膨胀系数为2 4 4 x 1 0 s 。c ) 雕j 铁镍锆 合金( 线膨胀系数为4 7 x 1 0 7 ) 制成，设置在硅膜片与传感器底座之间，用于 吸收由于底座材质与硅膜片热膨胀系数不同而加到硅膜片上的热应力，从而提 高传感器的测量精度。硅片与壳体以及底座之间组成的腔室为真空室。壳体顶 部设有排气孔，利用排气孔将该腔室抽真空后，再用锡焊密封排气孔，从而形 成真空室。真空室为基准压力室，基准压力为0k p a 。在真空管的进气口，一 般设有滤清器，用于过滤进气中的尘埃或杂质，以免膜片受到腐蚀和脏污而导 致传感器失效。 压阻效应式歧管压力传感器工作原理：压阻效应式歧管压力传感器的工作 原理如图2 - 4 所示例。 图2 - 4 半导体压敏电阻式m a p 传感器与e c u 的连接 f i g 2 - 4p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r em a p s e n s o rc o n n e c t i o nw i t he c u 硅膜片一面通真空室，另一面导人进气歧管压力。在压力作用下，硅膜片 就会产生机械应变而产生应力，应变电阻的阻值在膜片应力的作用下就会发生 变化，单臂电桥上电阻值的平衡就被打破( 为了便于理解，下面将硅膜片由机 械应变而产生应力的现象夸大为产生变形) ，当电桥的输入端输入一定的电压 或电流时，在电桥的输出瑞就可得到变化的信号电压或信号电流。在圆形硅膜 片周边固定的情况下，均匀分布的压力p 作用到膜片上的应力分布表达式为： o r 一嚣 ( 1 + ) r 2 一( 3 + j 1 ) ) ，2 】 ( 2 - 4 ) q 一嚣 ( 1 + 肛) ，2 一( 1 + 3 ) y 2 】 ( 2 5 ) 式中：q 、q 为径向和切向应力( n m 2 ) ；，、x 、h 为圆形膜片的有效半径、计 哈尔滨理工人学t 学硕上学位论文 算点半径( 即应变电阻中心至膜片圆心的距离) 、膜片厚度( i n ) ；p 为泊松比( 对硅 取= 0 3 5 ) ；p 为均布压力( p a ) 。 由仃，、仉的计算公式作出圆形平面膜片上各点应力分布曲线可得：当 x o ，即为拉应力：x = o 6 3 5 r 时，o r ，= o 即没有应力；x 0 6 3 5 r 时，仃， 0 ，即为压应力。当x = o 8 1 2 r 时，仉= o ，盯， 0 ，即仅有压应力。 在制作四只阻值相等的应变电阻时，如果将电阻尺2 、凡制作在x o u t n ，将增加t d 。如果o u t p o u t n ，将减小t d 。最后 使o u t p 与o u t n 尽可能的接近。 4 精确补偿( o o ) 的初始校正在标准大气压力、t e s tm o d e = 0 ( 正常输出 电压) 在先前校正的参数：i n p u t i n v 、p r g a i n 、t e m p d i g 为最佳值情况下， g o = 6 4 0 ( 中间范围) 、c g = 3 、o c = 0 、g c = 5 1 2 、o f f c o a r s e = 3 。改变可变参数： o f f s e t t r m 9 ：0 或o o 使m e a s u r e m e n t s 中检测的o u tr o m 与标准传感器的显示 之间的差最小，不同o o 值变化情况如图6 2 所示。 图6 2 0 0 值变化趋势 f i g 6 - 2o ov a l u et e n d e n c yc h a r t 5 近似增益( c g ) 校正如果近似增益( c g ) 的初始猜测值与真实值相差太 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 多，则必须作一个精确补偿量的内部重校正。t e s tm o d e = 0 ( 正常输出电压) 在 先前校正的参数：i n p u t i n v 、p r g a i n 、t d 、o o 为最佳值的情况下，g o = 6 4 0 ( 中 间范围) 、o c = 0 、g c = 5 1 2 、o f f c o a r s e = 3 。改变可变参数：g n c o a r s e 2 ：0 】或 c g ；不同c g 值变化情况如图6 3 所示。调节c g 值使o u t 尽可能接近理想 电压范围( v h i g h v l o w ) ，取决于所使用的压力范围( p h i 曲- p l o w ) 。 图6 - 3 c g 值变化趋势 f i g 昏3c gv a l u et e n d e n c yc h a r t 6 精确补偿( o o ) 的中间校正在c g 校正后，还需要再次校正o o ，t e s t m o d e = o ( 正常输出电压) 先前校正的参数：i n p u t i n v 、p r g a i n 、t d 、c g 为最 佳值，g o = 6 4 0 ( 中间范围) 、o c = 0 、g c = 5 1 2 ，改变可变参数：o f f s e t t r m 9 ：0 或o o ，不同o o 值变化情况如图6 3 所示。调整o o 值使r o mo u t 尽可能接 近理想电压值。 7 精确增j 釜i ( g o ) 校正在室温条件下( 2 5 ) ，模式：t e s tm o d e = o ( 正常输 出电压) ，先前校正的参数：i n p u t l n v 、p r g a i n 、t d 、c g 、o o 为最佳值， o c = 0 、g c = 5 1 2 ；在不同的压力条件下调节可变参数：g a i n f c t h i g h 7 ：0 1 或g o ， 不同g o 值变化情况如图6 4 所示。寻找一个g o 值使r o mo u t 尽可能接近 理想电压范围( v h i g h v l o w ) 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图6 - 4 g o 值变化趋势 f i g 6 - 4g o v a l u et e n d e n c yc h a r t 8 精确增益( o o ) 最终校正先前校正的参数：i n p u t i n v 、p r g a i n 、t d 、 c g 、g o 的最佳值，其它参数：o c = 0 、g c = 5 1 2 ，调节可变参数：o f f s e t t r m 9 ：0 】 或o o 。寻找一个最适合的o o 值使r o mo u t 尽可能接近理想电压。 本批次增益粗调c g = 3 、补偿粗调o f f c o a r s e = 3 为好，o o 补偿细调( 调节平 移量) 与v o u t 成反比、g o 增益细调( 调节斜率) 与v o u t 成正比。主要先调整p 1 低压使