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1、第4章 压力传感器本讲稿第一页，共九十四页4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力，我们把垂直作人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力，我们把垂直作用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面积上受到的压力叫作压用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面积上受到的压力叫作压强。上面所说的两个定义是物理学中的概念。工程技术上将物理学里的强。上面所说的两个定义是物理学中的概念。工程技术上将物理学里的“压强压强”也称为压力。也称为压力。国际单位制中定义压力的单位是国际单位制中定义压力的单位是:1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1 m2面
2、积上，所形面积上，所形成的压力为成的压力为1个帕斯卡，简称为帕，符号为个帕斯卡，简称为帕，符号为Pa。帕斯卡是一个很小的压力。帕斯卡是一个很小的压力单位。单位。下一页返回本讲稿第二页，共九十四页4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 长期以来，工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位，为便于阅长期以来，工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位，为便于阅读一些技术资料，下面介绍几种将废除的计量单位。读一些技术资料，下面介绍几种将废除的计量单位。气象部门较早使用的压力单位为巴，符号为气象部门较早使用的压力单位为巴，符号为bar，它大体上等于，它大体上等于一个一个“工程大气压工程大气压”，“工
3、程大气压工程大气压”的符号为的符号为at，相当于，相当于1kg的的力垂直作用在力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力，面积上所形成的压力，“标准大气压标准大气压”的符号为的符号为atm，它是指在纬度，它是指在纬度45的海平面上，的海平面上，0时的平均大气压力。以上这时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有两种单位中虽有“大气压大气压”三字，但其并不受气象条件的影响，而三字，但其并不受气象条件的影响，而是作为计量单位使用的恒定值。是作为计量单位使用的恒定值。上一页下一页返回本讲稿第三页，共九十四页4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 “约定毫米汞柱约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱，其符号为普通
4、简称为毫米汞柱，其符号为mmHg，它是指在，它是指在标准重力加速度标准重力加速度(980.655cm/s2)下，下，0时，时，1 mm高水银柱底面上高水银柱底面上的压力。的压力。“约定毫米水柱约定毫米水柱”简称为毫米水柱，其符号为简称为毫米水柱，其符号为mmH2O，它是指在标，它是指在标准重力加速度之下，准重力加速度之下，4时，时，1mm高的水柱底面上的压力。高的水柱底面上的压力。上一页返回本讲稿第四页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.1真空开关真空开关 真空开关的作用是检测空气滤清器有否堵塞，它主要用于化油器规格的车辆真空开关的作用是检测空气滤清
5、器有否堵塞，它主要用于化油器规格的车辆上，利用压力差检测堵塞状况。上，利用压力差检测堵塞状况。真空开关的结构如真空开关的结构如图图4一一1所示，其工作原理是所示，其工作原理是:A腔与腔与B腔之间会产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。将生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。将A接头与接头与B接头分别与要检测压力的部位接好管道，就可以测出压力差。接头分别与要检测压力的部位接好管道，就可以测出压力差。在这种状态下，当产生压力差时在这种状态下，当产生压力差时(AB)，在，在B腔负压的作用下，腔负压的作用下，膜片推压弹簧向图示的下方移动，与膜片成为一体的磁铁向下移膜片推压弹
6、簧向图示的下方移动，与膜片成为一体的磁铁向下移动，笛簧开关导通。动，笛簧开关导通。下一页返回本讲稿第五页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.2检测堵塞的连杆式传感器检测堵塞的连杆式传感器 这种传感器用于检测滤清器是否堵塞，它利用膜片检测进气管的这种传感器用于检测滤清器是否堵塞，它利用膜片检测进气管的负压，再通过连杆控制触点的闭合与断开，其结构如负压，再通过连杆控制触点的闭合与断开，其结构如图图4一一2所示。所示。进气歧管内会产生脉动，此传感器可将这种脉动加以滤波并检测其进气歧管内会产生脉动，此传感器可将这种脉动加以滤波并检测其是否有堵塞。是否有堵塞。
7、上一页下一页返回本讲稿第六页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.3油压开关油压开关 这种传感器用于检测发动机有无油压，以及用于油压指示器上等，其结构如这种传感器用于检测发动机有无油压，以及用于油压指示器上等，其结构如图图4一一3所示。它是由膜片、弹簧及触点构成的。所示。它是由膜片、弹簧及触点构成的。当膜片上没有压力作用时，在弹簧弹力的作用下，触点闭合，当压力作用到当膜片上没有压力作用时，在弹簧弹力的作用下，触点闭合，当压力作用到膜片上时，压缩弹簧，使触点断开。油压指示器的原理如膜片上时，压缩弹簧，使触点断开。油压指示器的原理如图图4一一4所示，所示，
8、当油压开关的触点闭合时，指示灯亮。因此，在启动发动机之前闭合点当油压开关的触点闭合时，指示灯亮。因此，在启动发动机之前闭合点火开关时，油压指示灯亮火开关时，油压指示灯亮;当启动发动机之后，油压上升时，油压指示当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开关的特性如灯灭。油压开关的特性如图图4一一5所示。所示。上一页下一页返回本讲稿第七页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.4油压传感器油压传感器 这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，它可检测出储压器这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，它可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合
9、或断开信号以及油压的异常报警。其结构如图的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。其结构如图4一一6所示，其内设有半导体应变片，利用了应变片具有形状变化时电所示，其内设有半导体应变片，利用了应变片具有形状变化时电阻也发生变化的特性阻也发生变化的特性;另外还设有金属膜片，通过金属膜片应变片检另外还设有金属膜片，通过金属膜片应变片检测出压力的变化，并将其转换成电信号后对外输出。测出压力的变化，并将其转换成电信号后对外输出。上一页下一页返回本讲稿第八页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.5绝对压力型传感器绝对压力型传感器 绝对压力型传感器用于主动
10、型悬架系统的油压检测。传感器内设有放大绝对压力型传感器用于主动型悬架系统的油压检测。传感器内设有放大电路、温度补偿电路及与压力媒体接触的不锈钢膜片。其结构如电路、温度补偿电路及与压力媒体接触的不锈钢膜片。其结构如图图4一一7所示，它是用硅材料加工成膜片，再在其上形成扩散电阻而制成所示，它是用硅材料加工成膜片，再在其上形成扩散电阻而制成的传感元件。的传感元件。上一页下一页返回本讲稿第九页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.6相对压力型高压传感器相对压力型高压传感器 相对压力型高压传感器用于检测汽车空调的冷媒压力。传感器内设相对压力型高压传感器用于检测汽
11、车空调的冷媒压力。传感器内设有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与4.2.5介绍的高压传感介绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如器的工作原理相同，其结构如图图4一一8所示。所示。上一页下一页返回本讲稿第十页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.7半导体压力传感器半导体压力传感器 半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一一D)的进气的进气歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动机控制微机中。歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动机控制微机中。传
12、感器的结构如传感器的结构如图图4一一9所示，其上采取了防干扰措施。所示，其上采取了防干扰措施。上一页下一页返回本讲稿第十一页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.8真空传感器真空传感器 因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化，所以也称作因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化，所以也称作“波纹管加差动变压器式波纹管加差动变压器式”传感器。这种传感器可用于电子汽油喷射传感器。这种传感器可用于电子汽油喷射装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根据进气歧管的压力装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根据进气歧管的压力(负压负压)确定基本喷油量的。这
13、一压力就是靠压力传感器检测出来的确定基本喷油量的。这一压力就是靠压力传感器检测出来的 真空传感器的结构如真空传感器的结构如图图4-10所示，它包括有所示，它包括有:中间为真空的波纹管，随波中间为真空的波纹管，随波纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯，设置在铁芯周围的差动变压器以及膜纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯，设置在铁芯周围的差动变压器以及膜片。膜片根据压力差改变波纹管的位置，选定在输出区或者经济区。片。膜片根据压力差改变波纹管的位置，选定在输出区或者经济区。上一页下一页返回本讲稿第十二页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.9增压传感器增压传感器 在日产
14、的在日产的vQ30DET等发动机上，采用增压压力传感器，传感元等发动机上，采用增压压力传感器，传感元件是在硅膜片上扩散电阻制成的，用其检测涡轮增压机的增压压件是在硅膜片上扩散电阻制成的，用其检测涡轮增压机的增压压力，以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。力，以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。VQ30DET的燃油喷射系统如图的燃油喷射系统如图4-11所示，在怠速、使用普通所示，在怠速、使用普通汽油、水温超过汽油、水温超过115、水温传感器系统异常时，电流不通过增压、水温传感器系统异常时，电流不通过增压控制电磁阀，实际的增压压力加到旋启阀的膜片上，使排放气体的控制电磁阀，实际的增压压力加到旋启阀的膜片
15、上，使排放气体的旁流量增加，增压压力下降。反之，当增压电磁阀闭合时，就使大旁流量增加，增压压力下降。反之，当增压电磁阀闭合时，就使大气压力加到旋启阀的膜片上，使排放气体的旁流量减少，结果增压气压力加到旋启阀的膜片上，使排放气体的旁流量减少，结果增压压力上升。此外，当增压压力异常升高、增压压力传感器的输出电压力上升。此外，当增压压力异常升高、增压压力传感器的输出电压超过某一数据值时，则燃油被切断。压超过某一数据值时，则燃油被切断。上一页下一页返回本讲稿第十三页，共九十四页4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.10主油缸压力传感器主油缸压力传感器 这一传感器安装在主油
16、缸的下部。其作用是检测主油缸的输出压这一传感器安装在主油缸的下部。其作用是检测主油缸的输出压力。其结构如图力。其结构如图4-12所示，这也是利用膜片上应力片电阻改变所示，这也是利用膜片上应力片电阻改变的效应，制成的半导体传感器，膜片与应变片制成一个整体，当的效应，制成的半导体传感器，膜片与应变片制成一个整体，当制动压力加到其上时膜片发生变形，此变形使应变片的阻值发生制动压力加到其上时膜片发生变形，此变形使应变片的阻值发生变化，再通过桥式电路测出与压力成正比的电信号并传输出去。变化，再通过桥式电路测出与压力成正比的电信号并传输出去。上一页下一页返回本讲稿第十四页，共九十四页4.2 汽车用压力传感
17、器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.11蓄压器用压力传感器蓄压器用压力传感器 如如图图4-13所示，蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的上方，用以所示，蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的上方，用以检测油压组件的压力，其基本结构与主油缸用压力传感器相同。检测油压组件的压力，其基本结构与主油缸用压力传感器相同。上一页返回本讲稿第十五页，共九十四页4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.1传感器的结构传感器的结构 压力传感器的结构如压力传感器的结构如图图4一一14所示。它是由硅片、底座、硅杯及盖子等所示。它是由硅片、底座、硅杯及盖子等组成的。硅片上形成有膜片，膜片上埋入了
18、检测压力的测量电阻，底座上组成的。硅片上形成有膜片，膜片上埋入了检测压力的测量电阻，底座上设置了导压管及作为输入输出端子的引线端子。在硅片与底座之间设有用设置了导压管及作为输入输出端子的引线端子。在硅片与底座之间设有用硅单晶制作的硅杯，其作用是缓和与吸收底座传入的热应力，盖子与底座硅单晶制作的硅杯，其作用是缓和与吸收底座传入的热应力，盖子与底座等形成标准压力腔并对硅片及内部组成件起机械保护作用。等形成标准压力腔并对硅片及内部组成件起机械保护作用。下一页返回本讲稿第十六页，共九十四页4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.2传感器的工作原理传感器的工作原理 半导体压力传感器是利用
19、半导体的压阻效应制成的，其工作原理是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，即将压力变换成电信号，即:压力加到膜片上时，膜片上产生应力压力加到膜片上时，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。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。上一页下一页返回本讲稿第十七页，共九十四页4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感
20、器4.3.3压力传感器的额定值与特性压力传感器的额定值与特性 本节介绍的压力传感器的额定值与特性如本节介绍的压力传感器的额定值与特性如表表4-1所示。所示。(1)压力额定值压力额定值 (2)输出电压特性输出电压特性 (3)精度与温度特性精度与温度特性上一页下一页返回本讲稿第十八页，共九十四页4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.4半导体压力传感器用作进气压力传半导体压力传感器用作进气压力传感器感器 半导体压力传感器可用作检测进气压力，以便于实现排气再循环控制、空燃半导体压力传感器可用作检测进气压力，以便于实现排气再循环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如比控制及点火
21、时间控制等。其典型结构如图图4一一15所示。作为汽车用进气所示。作为汽车用进气压力检测装置，为了实现高精度检测，将包括有温度补偿电路、放大电路压力检测装置，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个整体。在内的混合集成电路与半导体压力传感器制成一个整体。上一页返回本讲稿第十九页，共九十四页4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器4.4.1 IC大气压传感器的构成大气压传感器的构成 (1)压力检测部分的构成。压力检测部分的构成。IC大气压传感器的压力检测部分，在硅片的中间，大气压传感器的压力检测部分，在硅片的中间，从反面经异
22、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。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个输出端子之间以电位差的方式对外输出。桥式电路之后在桥式电路的两个输出端子之间以电位差的方式对外输出。下一页返回本讲稿第二十页，共九十四页4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传
23、感器 (2)电路的特性。压力传感器的主要特性有以下电路的特性。压力传感器的主要特性有以下4项项:灵敏度灵敏度;偏置偏置电压电压(0Pa时的输出电压时的输出电压);灵敏度的温度特性灵敏度的温度特性;偏置电压的温度特性。偏置电压的温度特性。(3)传感器的结构。传感器的结构。IC大气压传感器的内部结构如大气压传感器的内部结构如图图4-16所示。所示。上一页下一页返回本讲稿第二十一页，共九十四页4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器4.4.2制造工艺制造工艺 (1)芯片工艺芯片工艺 (2)元件加工艺元件加工艺 (3)性能的调整性能的调整 (4)性能检查性能检查上一页下一页返回本讲
24、稿第二十二页，共九十四页4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器4.4.3规格与可靠性规格与可靠性 IC大气压传感器的规格见表大气压传感器的规格见表4一一2。电源电压为。电源电压为5V单一电源。压力灵敏单一电源。压力灵敏度的设定值为度的设定值为39.49mV/kPa,101.3kPa(1个大气压个大气压)时的输出时的输出电压为电压为4V。IC大气压传感器主要有两个特点，一是通过阳极键合法形成真空腔，大气压传感器主要有两个特点，一是通过阳极键合法形成真空腔，二是半导体管芯的表面受压。二是半导体管芯的表面受压。表表4-3是是IC大气压传感器的几项可大气压传感器的几项可靠性试验项
25、目。除此之外，还要进行汽车特有的环境试验及装车靠性试验项目。除此之外，还要进行汽车特有的环境试验及装车试验。试验。上一页返回本讲稿第二十三页，共九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.1半导体微差压力传感器的工作原理半导体微差压力传感器的工作原理 对检测发动机进气量的卡曼涡旋式空气流量传感器来说，单位时对检测发动机进气量的卡曼涡旋式空气流量传感器来说，单位时间所产生的涡旋数量，即涡旋频率与流体的流速成正比，而流体间所产生的涡旋数量，即涡旋频率与流体的流速成正比，而流体的流量的流量(体积流量体积流量)等于流管的截面积与流速之积，因此通过测量等于流管的截面积与流速之积，因此
26、通过测量涡旋频率就可以知道流体的流量。涡旋频率就可以知道流体的流量。下一页返回本讲稿第二十四页，共九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器 涡旋频率的测量有两种方式，一是通过涡旋产生的压力变化测定，另一涡旋频率的测量有两种方式，一是通过涡旋产生的压力变化测定，另一方式是通过流体的流速变化测定。半导体微差压力传感器用于前者方式是通过流体的流速变化测定。半导体微差压力传感器用于前者 为了检测压力变化，在半导体芯片的中间，利用异向腐蚀法从里面形成正方为了检测压力变化，在半导体芯片的中间，利用异向腐蚀法从里面形成正方形的膜片，在压力变化的作用下，膜片出现机械位移。要想测量膜片的机形的膜
27、片，在压力变化的作用下，膜片出现机械位移。要想测量膜片的机械位移，可以采用应变测量法或静电电容变化法等。本节说明的微差压力械位移，可以采用应变测量法或静电电容变化法等。本节说明的微差压力传感器采用的方法与前面讲过的压力传感器类似，在硅膜面的表面设置传感器采用的方法与前面讲过的压力传感器类似，在硅膜面的表面设置4个个测量电阻，并将它们做桥式连接，将压力的变化转换成桥式电路输出电压测量电阻，并将它们做桥式连接，将压力的变化转换成桥式电路输出电压的变化，采用杂质扩散法形成的的变化，采用杂质扩散法形成的P型扩散电阻作测量电阻，利用半导体的压型扩散电阻作测量电阻，利用半导体的压阻效应将机械应变转换成电阻
28、的变化。阻效应将机械应变转换成电阻的变化。上一页下一页返回本讲稿第二十五页，共九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器 利用半导体微差压力传感器检测涡旋频率的原理是，微差压力传感器设利用半导体微差压力传感器检测涡旋频率的原理是，微差压力传感器设置在发动机的进气歧管上，进气的脉动也会产生压力的变化，而且这种置在发动机的进气歧管上，进气的脉动也会产生压力的变化，而且这种压力的变化要比卡曼涡旋的压力变化大得多，因此，怎样消除卡曼涡旋压力的变化要比卡曼涡旋的压力变化大得多，因此，怎样消除卡曼涡旋以外的压力变化就成为一个较大的问题。对此，微差压力传感器采取的以外的压力变化就成为一个较大的
29、问题。对此，微差压力传感器采取的措施是措施是: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传输至半导体管芯上，而入管左右交替产生涡旋的压力变化以差压方式传输至半导体管芯上，而在涡旋压力导入管的左右脉动等引起的压力变化完全相等，所以在半导在涡旋压力导入管的左右脉动等引起的压力变化完全相等，所以在半导体管芯处互相抵消。体管芯处互相抵消。上一页下一页返回本讲稿第二十六页，共九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.2微差压力传感器的特点微差压力传感器的特点 压力检测范围为压力
30、检测范围为1.33 x10-413.3kPa，且动态范围很宽，且动态范围很宽 耐压能力高，最高容许压力为耐压能力高，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因素引起的压力变化因为是差压工作方式，所以对卡曼涡旋之外因素引起的压力变化(同同相成分相成分)的灵敏度很低。的灵敏度很低。采用氮化膜作半导体芯片的保护，并改进电极片的结构，提高耐环境采用氮化膜作半导体芯片的保护，并改进电极片的结构，提高耐环境性能性能 把半导体芯片的壳体与涡旋发生柱作成一个整体件，以缩小体积。把半导体芯片的壳体与涡旋发生柱作成一个整体件，以缩小体积。上一页下一页返回本讲稿第二十七页，共九十四页4.
31、5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.3半导体微差压力传感器的结构半导体微差压力传感器的结构 半导体微差压力传感器是由涡旋发生柱半导体微差压力传感器是由涡旋发生柱(下盖下盖)、上盖、引线框、上盖、引线框、半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯与引半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯与引线框的键合材料组成的。线框的键合材料组成的。上一页下一页返回本讲稿第二十八页，共九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.4加工工艺加工工艺 (1)硅片工艺硅片工艺 (2)元件工艺元件工艺 (3)性能检查性能检查上一页下一页返回本讲稿第二十九页，共
32、九十四页4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.5半导体微差压力传感器的额定值及半导体微差压力传感器的额定值及可靠性评价可靠性评价 半导体微差压力传感器的额定值见表半导体微差压力传感器的额定值见表4-4，其性能保证压力范围非常，其性能保证压力范围非常宽，达到了宽，达到了1.33 x 10-413.3kPa。微差压力传感器装于发动机舱内，。微差压力传感器装于发动机舱内，所以其工作环境温度为所以其工作环境温度为 -30110。半导体微差压力传感器的可靠性试验项目见表半导体微差压力传感器的可靠性试验项目见表4-5。此外，还要进行。此外，还要进行汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目
33、均没有问题的话，说明传汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目均没有问题的话，说明传感器性能良好。通过上述各项试验就可以确认感器性能良好。通过上述各项试验就可以确认:半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器在发动机进气歧管这种苛刻的条件下使用时，将具有足够的可靠性。在发动机进气歧管这种苛刻的条件下使用时，将具有足够的可靠性。上一页返回本讲稿第三十页，共九十四页4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器4.6.1传感器的种类与特点传感器的种类与特点 对发动机进气量的测定，一般采用的方法是测定通过进气管的空气量，对发动机进气量的测定，一般采用的方法是测定通过进气管的空气量，市场上
34、销售的采用电子燃油控制的汽车几乎都采用这种方法，作为检测市场上销售的采用电子燃油控制的汽车几乎都采用这种方法，作为检测通过进气管的空气量的方法，可以分为采用压力传感器的间接检测方式通过进气管的空气量的方法，可以分为采用压力传感器的间接检测方式和利用空气流量计的直接检测方式。每种方式各有长短，从装车性与价和利用空气流量计的直接检测方式。每种方式各有长短，从装车性与价格上看，优秀的是压力传感器，从测试精度上看，优秀的是空气流量传格上看，优秀的是压力传感器，从测试精度上看，优秀的是空气流量传感器。感器。下一页返回本讲稿第三十一页，共九十四页4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器
35、4.6.2小型压力传感器小型压力传感器 (1)检测原理。压力检测部位的工作原理是利用了半导体压电电阻检测原理。压力检测部位的工作原理是利用了半导体压电电阻效应，在硅片表面的特定方向上，利用离子注入法等形成四个应变效应，在硅片表面的特定方向上，利用离子注入法等形成四个应变片电阻，在其内部利用异向蚀刻法形成膜片部分。在硅片的膜片部片电阻，在其内部利用异向蚀刻法形成膜片部分。在硅片的膜片部分的表面和里面产生压力差的场合下，硅片内所产生的压缩、拉伸分的表面和里面产生压力差的场合下，硅片内所产生的压缩、拉伸张力，使膜片处的测量电阻的阻值发生变化。张力，使膜片处的测量电阻的阻值发生变化。上一页下一页返回本
36、讲稿第三十二页，共九十四页4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器 (2)检测元件部分检测元件部分.形成有膜片的硅片在减少封装产生的热应力的形成有膜片的硅片在减少封装产生的热应力的玻璃底座上形成阳极，同时由于在膜片内部空间形成了真空封装，玻璃底座上形成阳极，同时由于在膜片内部空间形成了真空封装，同时也形成了基准压力腔，也就是说，过去要构成压力腔还需要同时也形成了基准压力腔，也就是说，过去要构成压力腔还需要金属封装，现在则可以取消金属封装，因此，就可以减少部件的金属封装，现在则可以取消金属封装，因此，就可以减少部件的数量与实现小型化。此外，从结构上来看，因为被测压力是从与数量
37、与实现小型化。此外，从结构上来看，因为被测压力是从与真空腔相反的一侧加上来的，因此与过去不同，在传感器元件的真空腔相反的一侧加上来的，因此与过去不同，在传感器元件的表面需要经涂敷与胶凝形成表面的保护层，以便确保和原来具有表面需要经涂敷与胶凝形成表面的保护层，以便确保和原来具有同等水平的耐环境性。利用钻结法将底座钻结到注塑成型的传感同等水平的耐环境性。利用钻结法将底座钻结到注塑成型的传感器模块上。器模块上。(3)电路的构成电路的构成.上一页下一页返回本讲稿第三十三页，共九十四页4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器4.6.3特点特点 (1)小型化小型化 (2)无焊锡结构无焊
38、锡结构 (3)耐污损特性与防堵塞性耐污损特性与防堵塞性上一页返回本讲稿第三十四页，共九十四页4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技术的高压传感器4.7.1高压传感器的特点高压传感器的特点 (1)采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上。采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上。(2)采用受压面积最小的封装结构。采用受压面积最小的封装结构。(3)最大限度利用上述最大限度利用上述(1)、(2)两点制成体积最小的产品。两点制成体积最小的产品。(4)通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压性能。通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压性能。(5)传感器的使用场合传感器的使用场合:相对压
39、力或测量压力最大为相对压力或测量压力最大为5MPa.下一页返回本讲稿第三十五页，共九十四页4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技术的高压传感器4.7.2高压传感器的构成高压传感器的构成 对于制造高压传感器来说，一般都是把批量生产低压传感器对于制造高压传感器来说，一般都是把批量生产低压传感器(100400kPa)的的技术，加以总结提高，再应用到高压传感器的生产上。高压传感器的信号技术，加以总结提高，再应用到高压传感器的生产上。高压传感器的信号处理器是由高精度放大器和调整电路构成的，高精度放大器的作用是放大处理器是由高精度放大器和调整电路构成的，高精度放大器的作用是放大惠斯顿电桥输出的
40、电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性。此外，惠斯顿电桥输出的电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性。此外，对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产工序内产生的静电、对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产工序内产生的静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在还有外部进入的电磁波等，都靠在CMOS内所形成的内部电路加以保护，内所形成的内部电路加以保护，相关的保护元件都设置在微控制器内相关的保护元件都设置在微控制器内.上一页下一页返回本讲稿第三十六页，共九十四页4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技术的高压传感器 为了测定相对压力或者相对大气压下的应变片压力，在硅片
41、的内为了测定相对压力或者相对大气压下的应变片压力，在硅片的内面设置了通孔，并将下部金属底板与为缓和下部接合层产生的应面设置了通孔，并将下部金属底板与为缓和下部接合层产生的应力而设置的底座玻璃利用静电接合工艺接合在一起，以确保具有力而设置的底座玻璃利用静电接合工艺接合在一起，以确保具有高可靠性的密封性。高可靠性的密封性。为了确保高压检测组件与金属底板在高温下的强度，采用了接合为了确保高压检测组件与金属底板在高温下的强度，采用了接合式结构。即使在用于汽车的严酷环境下，也可以确保传感器的高式结构。即使在用于汽车的严酷环境下，也可以确保传感器的高可靠性。可靠性。上一页下一页返回本讲稿第三十七页，共九十
42、四页4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技术的高压传感器4.7.3耐压设计与评价结果耐压设计与评价结果 (1)耐压设计。高压传感器受力的示意图如耐压设计。高压传感器受力的示意图如图图4-17所示。图中表示所示。图中表示出了在加有压力的场合下，外加压力的受压面积和与此相应的反出了在加有压力的场合下，外加压力的受压面积和与此相应的反力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器的一侧。力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器的一侧。高压传感器采用的是抵消固定部分产生的反力的方式来安装的，因高压传感器采用的是抵消固定部分产生的反力的方式来安装的，因此，外加压力与固定载荷之间的关系可按下述的
43、方法来表明。此，外加压力与固定载荷之间的关系可按下述的方法来表明。1)外加压力与固定载荷外加压力与固定载荷 2)对外加应力的结构设计对外加应力的结构设计上一页下一页返回本讲稿第三十八页，共九十四页4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技术的高压传感器 (2)极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的试验结极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的试验结果如果如图图4一一18所示。所示。(3)压力与出力特性。压力与出力特性。(4)可靠性试验可靠性试验:高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击试验、压力高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击试验、压力循环试验、过电压试验、循环试
44、验、过电压试验、EMI试验。试验。(5)基本规格。本节介绍的高压传感器的基本规格见基本规格。本节介绍的高压传感器的基本规格见表表4一一6 上一页返回本讲稿第三十九页，共九十四页4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 柴油发动机的共轨方式就是将高压油泵所产生的高压燃油储存在公柴油发动机的共轨方式就是将高压油泵所产生的高压燃油储存在公共油轨中共油轨中(储压室内储压室内)，再对喷油器内的电磁阀控制的喷油嘴的背压，再对喷油器内的电磁阀控制的喷油嘴的背压进行控制，实现最佳喷射的电子控制式燃油喷射系统进行控制，实现最佳喷射的电子控制式燃油喷射系统 共轨系统的构成如图共轨系统的构成如图4一一1
45、9所示。所示。下一页返回本讲稿第四十页，共九十四页4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 共轨系统内的燃油压力是利用电磁阀控制高压泵的燃油喷射量，共轨系统内的燃油压力是利用电磁阀控制高压泵的燃油喷射量，利用压缩机进行加压来调整的，其燃油压力是通过设置在共轨上利用压缩机进行加压来调整的，其燃油压力是通过设置在共轨上的压力传感器的压力传感器(共轨压传感器共轨压传感器)检测，利用高压泵油泵上的电磁阀，检测，利用高压泵油泵上的电磁阀，按发动机的转速和负荷所设定的最佳值进行反馈控制。按发动机的转速和负荷所设定的最佳值进行反馈控制。上一页下一页返回本讲稿第四十一页，共九十四页4.8 共轨系统
46、用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 以前所采用的高压传感器为密封式结构，密封膜片上受压，以封入的机以前所采用的高压传感器为密封式结构，密封膜片上受压，以封入的机油作为压力媒体，在单晶硅压力传感器元件上实施压力一电气变换油作为压力媒体，在单晶硅压力传感器元件上实施压力一电气变换 为了达到更低的排放，应实现采用共轨压力传感器系统整体的高压力化为了达到更低的排放，应实现采用共轨压力传感器系统整体的高压力化和高精度化，因此就要求传感器能够承受和高精度化，因此就要求传感器能够承受160MPa的高耐压并具有的高耐压并具有11%的高精度。传统结构的高压传感器从耐压与精度两个方面都难以的高精度。传统结构的高
47、压传感器从耐压与精度两个方面都难以达到上述要求，因此厂家开始着手设计全新结构的超高压传感器。下面达到上述要求，因此厂家开始着手设计全新结构的超高压传感器。下面就对满足上述要求的新结构的超高压传感器加以介绍。就对满足上述要求的新结构的超高压传感器加以介绍。上一页下一页返回本讲稿第四十二页，共九十四页4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器4.8.1高耐压设计高耐压设计 新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如图图4一一20所示。在外所示。在外壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它所采用的是壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它所
48、采用的是金属接触式密封结构，作为检测部位变形的传递部分，在金属轴杆金属接触式密封结构，作为检测部位变形的传递部分，在金属轴杆上设有较薄的膜片，由此接受燃油的高压，压力在膜片部位所产生上设有较薄的膜片，由此接受燃油的高压，压力在膜片部位所产生的应力，经钻结在其上的单晶硅压电电阻元件实施电气变换。从结的应力，经钻结在其上的单晶硅压电电阻元件实施电气变换。从结构上看，对传感器性能影响最大的部件是形成检测部位的硅传感器构上看，对传感器性能影响最大的部件是形成检测部位的硅传感器芯片及金属膜片。芯片及金属膜片。设计出金属轴杆的最佳形状。设计出金属轴杆的最佳形状。要根据金属膜片上要根据金属膜片上Si的压电电
49、阻元件所需要的应力来设计膜片的形状。的压电电阻元件所需要的应力来设计膜片的形状。上一页下一页返回本讲稿第四十三页，共九十四页4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器4.8.2高精度设计高精度设计 金属轴杆上钻结的硅单晶压电电阻元件的应变系数是薄膜硅多晶压金属轴杆上钻结的硅单晶压电电阻元件的应变系数是薄膜硅多晶压电电阻元件的电电阻元件的310倍，灵敏度可以达到倍，灵敏度可以达到310倍，这很有利于传倍，这很有利于传感器特性的高精度化。本节所述的超高压传感器为了精度在一感器特性的高精度化。本节所述的超高压传感器为了精度在一30120的工作温度范围内达到的工作温度范围内达到1%F.S*，
50、所以采用了下述的，所以采用了下述的元件结构和设计方法元件结构和设计方法 采用采用(100)的单晶的单晶Si底板底板 采用最佳的测量配置设计采用最佳的测量配置设计 (1)压力传感器的输出误差成分。压力传感器的输出误差成分。(2)Si基板的面方位基板的面方位 (3)最佳测量电阻的布置最佳测量电阻的布置上一页下一页返回本讲稿第四十四页，共九十四页4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器4.8.3结论结论 以上对满足以上对满足160MPa的高耐压与的高耐压与1%精度要求的共轨系统用超高压传感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。器的结构与工作原理作了