第4章：压力传感器演示幻灯片

第四章：压力传感器,4.1压力的概念及单位,垂直作用在物体表面上的力叫做压力。把物体的单位面积上受到的压力叫做压强。,1、概念,2、单位,1N的力垂直均匀作用在1平方米面积上所形成的压力为1个帕斯卡。,3、各单位间的关系,4.2汽车用压力传感器种类与用途,1、真空开关、作用检测空气滤清器是否堵塞。、原理A腔与B腔之间会产生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。、结构,、输出特性,2、检测堵塞的连杆式传感器,检测空气滤清器是否堵塞。,（1）作用,（2）结构,PPC缓冲滤波弹簧,（3）原理,利用膜片检测进气管的负压，再通过连杆控制触点闭合与断开。,（4）输出特性,3、油压开关,检测发动机有无油压。,（1）作用,（2）结构及工作过程,压力低时，触点闭合；压力高时，触点断开；,（3）输出特性,在启动发动机之前，点火开关接通，油压指示灯点亮，启动发动机以后油压增加指示灯熄灭。,4、油压传感器,用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，可检测出储压器的压力，输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。,（1）作用,（2）结构及工作过程,压力应变片电阻电压,5、绝对压力型传感器,主要用于主动型悬架系统的油压检测。,（1）作用,（2）结构,混合集成放大电路；压力媒体接触的不锈钢膜片等。,（4）输出特性,压力膜片电阻电压,（3）原理,5、相对压力型高压传感器(丰田皇冠轿车),、作用：检测汽车空调的冷媒（制冷剂）压力。,、检测原理压力小孔半导体基片半导体压敏电阻变化产生不平衡电压,、结构：半导体压力传感器集成放大电路,（4）安装位置,（5）输出特性,FullScale（满量程），上限值,检测制冷剂高压管路的压力压力范围：0.982.94MPa,7、半导体压力传感器,、作用：用于检测电子控制燃油喷射系统（EFI-D）的进气歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动机ECU中。,、结构:半导体压敏电阻硅片混合集成电路真空室进气口（接进气歧管）,绝对压力传感器的结构实物图片,、输出特性,、工作原理,压力信号作用在半导体压敏电阻片上电阻值变化电压变化放大电路输出电压变化。,、压力传感器与ECU的连接,PIM进气歧管压力信号,、检测,将万用表、手动真空泵按图示与传感器相连，在闭合点火开关（发动机停止状态）时测量计算机一侧的电压。在手动泵压力为2.7104Pa情况下，其端电压应在4.75.3V的范围内。,8、真空传感器,、结构：电路板差动变压器铁心波纹管膜片弹簧,、作用:检测进气歧管的真空度，并把真空压力的变化转换成电压变化，用于EFI-D型汽车的进气歧管压力检测,、工作过程压力变化铁心的移动电压变化。,、差动变压器,（5）检测,将万用表笔分别插入插座中，测量输出电压。测量步骤为：在不动摇插座的情况下闭合点火开关；将万用表笔与EVs插座接触；在开放真空管道加上大气压的情况下，电压档指示约为1.5V；在用嘴巴对真空管道吸气的情况下，表针从电压档的1.5V起向降低方向摆动；怠速时，表针指示约为0.4V，当转速升高时，此值也升高。,4.3半导体进气压力传感器,体积小、精度高、成本低、而且响应重复性及耐振性能都非常好。,优点：,分类：,1、传感器结构,、硅片,硅片中央部分为用腐蚀法形成的膜片，在压力作用下，膜片会产生机械应变。在硅膜片的四周上，采用微加工技术及台面扩散技术，沿轴方向形成四个测量电阻，他们之间按惠斯顿电桥法在硅片内部形成。,、硅杯,以便吸收因底座材质与硅材料的热膨胀系数之差所造成的加在膜片上的热应力。,、底座和盖子,作用：形成标准压力腔，并对硅片及内部组成件起机械保护作用。,2、工作原理,半导体压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的，其工作原理是将压力变换成电信号，即：、压力加到膜片上，膜片上产生应力；、随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化；、将一定的电压或电流输入到惠斯顿电桥的输入端时，电阻值的平衡被打破，在电桥的输出端就可以得到电压或电流的输出变化值。,一般认为：硅单晶对外部的应力呈现弹性特性，其强度足以与钢材媲美。硅膜片的厚度与强度的关系，可以根据式(4.3-1)、式(4.3-4)及硅的屈服应力求出。设屈服应力max为392MPa(4000kgf/cm2)，根据式(4.3-1)可以求出：直径为2mm厚为40um的硅膜片可能承受的最大压力Pmax为837kPa.本节介绍的压力传感器的硅膜片的破坏强度约为4.4MPa(45kgfcm2)，即实测值比计算值要高出许多，分析其原因，可以认为，采用化学腐蚀法加工膜片时，因为周围出现了微小塌边，缓和了应力集中于周围。,3、压力传感器的额定值与特性,额定压力为203KPa（2个大气压），过载压力是在不影响各项特性的范围里可以加上的最大压力值。其为额定压力的1.5倍，为304KPa（3个大气压）。,、压力额定值,、输出电压特性、输出电压：在加上电压VE与压力时桥式电路输出端上的电压。、偏置电压：外加压力为0Pa时的输出电压V0值，也称其为桥不平衡零点电压；、控制电压：传感器上加上额定压力的输出电压再减去上述偏置电压，它表明了压力传感器的灵敏度。,输出电压压力特性曲线,、精度与温度特性,将半导体压力传感器作为高精度传感器使用时，就需要进行温度补偿、灵敏度调整以及偏置电压的零点调整。,4、半导体压力传感器用作进气压力传感器,、作用：检测进气压力，以便于实现排气再循环控制，空然比控制及点火时间控制等。,、结构：为了实现高精度检测，将包括有温度补偿电路、放大电路在内的混合集成电路与半导体压力传感器制成一体,、温度补偿,随着温度的升高输出电压下降，因此就要进行控制，以保证在规定的温度范围内输出电压为一定值。,对温度补偿特性的要求就是修正偏置电压随温度的变化以及控制电压随温度的变化。偏置电压：RP，与R相反控制电压：Rf，正温度系数,4.4集成电路型（IC）大气压传感器,这种传感器是利用半导体的IC技术与微加工技术，在一块半导体基片上形成压力传感器，温度补偿电路和放大电路。,集成电路(IntegratedCircuitIC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。,、压力检测部分的构成,在硅片的中间，从反面经异向腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力变换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个P型测量电阻，它们按桥式电路连接。利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后在桥式电路的两输出端子之间以电位差的方式对外输出。,1、IC大气压力传感器的构成,（2）电路的特性,压力传感器的主要特性：、灵敏度、偏置电压;、灵敏度的温度补偿、偏置电压的温度特性,IC大气压力传感器的等效电路图,RP偏置电压温度补偿调节电阻；Ra、Rb偏置电压调整电阻；Rf正温度系数反馈电阻；Rs调整该电阻可以缩小灵敏度的杂散范围；,（3）传感器的结构,2、制造工艺,在支撑模拟电路时，以晶向（100）的P型硅片为基片，在基片已生长成的n型外延层中，采用双极式IC工艺制成双极式晶体管，电阻及电容器等。另外，在双极式电路工序完成之后，则用碱性溶液通过异向腐蚀法在芯片的反面形成压力检测部位的膜片。膜片的尺寸为2mm2mm,管芯尺寸为4mm4mm,膜片周围集成有4个运算放大器等共300多个元件。,、芯片工艺,（2）元件加工工艺,（3）性能的调整,性能调整包括偏置电压温度特性的调整，偏置电压的调整，灵敏度的调整。调整偏置电压温度特性时，先测定出传感元件分总成的偏置电压温度特性，根据此值将厚膜电阻切边以达到规定值。在调整偏置电压与灵敏度时，分别加上0pa、101.3kpa，再调整厚膜电阻，使输出电压达到最大值。,（4）性能检查,性能检查包括温度特性和压力特性，检查时，调整加在IC大气压传感器上的温度、压力，读取其输出值，判断是否合格。,3、规格和可靠性,常温时的输出特性曲线,30+100时的输出特性曲线,4.5半导体微差压力传感器,与以往不同的是：在涡旋压力导入管的左右设置涡旋压力导入口，将涡旋压力导入管左右交替产生涡旋的压力变化以差压方式输至半导体管芯上。,1、工作原理,2、微差压力传感器的信号处理电路方框图,2、特点,、压力检测范围为1.3310-413.3kpa，且动态范围很宽；、耐压能力高，最高容许压力为66.6kpa；、因为是差压工作方式，所以对卡曼涡旋之外的因素引起的压力变化的灵敏度很低；、采用氮化膜做半导体芯片的保护，并改进电极片的结构，提高耐环境性能；、把半导体芯片的壳体与涡旋发生柱做成一个整体件，以缩小体积。,3、结构,下盖上盖引线框半导体管芯引线粘结剂键合材料,4、加工工艺,采用晶向面（100）的n型单晶硅做衬底，采用台面扩散工艺形成的高浓度的P型扩散层，其与P型的测量电阻及四个按桥式电路连接的测量电路相连，表面采用氮化膜加以保护，以提高耐环境能力。采用蚀刻精度高的碱性溶液进行异向蚀刻形成膜片。制得的微差压力传感器尺寸为3.2mm3.2mm，芯片尺寸为5.5mm4.5mm。,、硅片工艺,（2）元件工艺,5、额定值和可靠性评价,6、半导力微差压了传感器的压力输出电压特性,13.3kpa,4.6发动机控制用小型压力传感器,1、检测发动机进气量的方法：、测量进气空气流量的方法；、测量进气空气的压力方法；,从装车性与价格上看，压力传感器较好。从测量精度上看，空气流量传感器较好。,2、小型压力传感器,汽车上压力传感器的应用范围：大气压力检测；EGR系统监测；燃油蒸发压力监测；空调系统压力监测；柴油车高压共轨压力监测；油压压力监测；真空压力监测；,、检测原理：,在P方向上施加一个压力，测量电阻R1,R3的阻值减小；R2,R4阻值增加，使电压V0发生变化。,由于电阻的变化量较小，使得输出电压很小，因此需要放大电路和温度补偿电路,、检测元件部分,、电路的构成：,3、电路特点：,、小型化：与传统产品比较可减小60、无焊锡结构、耐污损特性与防堵塞性；,4.7利用微控制技术的高压传感器,1、微控制技术高压传感器的特点：、采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上；、采用受压面积最小的封装结构；、最大限度利用上述、两点制成体积最小产品、通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压特性、传感器的使用场合：相对压力或测量压力最大为5MPa,2、高压传感器的构成,3、压力与输出电压及压力误差特性,4、高压传感器的基本规格参数,4.8共轨系统用超高压传感器,160MPa以上,1、高压传感器的基本结构,结论：以上对满足160MPa的高耐压与+1精度要求的共轨系统用超高压传感器的结构与工作原理作了说明总结起来有如下四点。、关于耐高压的问题，介绍了金属接触式密封结构的应用，说明了传感部分的金屑轴杆的耐压设计。通过FEM解析，阐明了轴杆长度和承受轴力的面角度的最佳形状。、关于高精度的问题，介绍了采用传感器元件模型，实现降低传感器特性中的非线性特性的结构设计，使温度特性在工作范围内大致为零。,、采用(100)的单晶硅基板，通过测量电阻的最佳布置，从而使压力的非线性成分大致为零。、所介绍的共轨系统用压力传感器的压力精度可达到11，这种传感器可以满足达160MPa的压力循环耐久性试验。,4.9采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器,电动助力转向系统（EPS），现在已经大量的采用非接触式扭矩传感器。压粉式非接触式扭矩传感器是一种采用新材料和新工艺制成的新型传感器。所谓压粉铁