MEMS压力传感器在汽车上的应用

工业技术INDUSTRYTECHNOLOGYMEMS压力传感器在汽车上的应用河南司法警官职业学院滕敏汽车性能的不断提升得益于汽车电子的不断发展，而起核心作用的元件是传感器。MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子中，如TPMS压力传感器、进气歧管压力传感器、大气压力传感器、发动机机油压力传感器、安全气囊用压力传感器等。MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。本文中，笔者从安全和节能的角度考虑，介绍几种MEMS压力传感器在汽车上的应用。一、发动机机油压力传感器机油压力传感器是用于测量汽车发动机机油压力的重要传感器，其可靠性直接关系到汽车和人的安全。机油关系到发动机的润滑、降低磨损、降温和密封等方面，一旦机油压力过低就会因缺油发生干摩擦，造成剧烈的磨损和发热，可能损坏发动机，影响机车的正常运转。一般国产汽车的生产厂家基本上是在发动机上安装一个电位器式压力传感器，由一个波纹膜片和一个具有机械触点的滑线电位器组成。由于此类压力传感器具有机械触点，而汽车的应用环境时有恶劣，高低温差大、较大的颠簸和振动等，使得该传感器的机械和电气寿命都受到严重影响，这就使产品可靠性和寿命偏低，也是汽车压力控制仪表装置有待解决的问题。必须研制无触点的此类传感器，以取代传统的电位器式油压传感器。近年来，MEMS技术的发展为设计汽车传感器提供了新的重要途径。一些研究人员针对上述传统机油压力传感器存在的问题，提出一种新型基于MEMS技术的压力传感器，对压力敏感头的结构进行了设计，开发出精度高、性能可靠的传感器。压力敏感头是机油压力传感器的核心部件，是由MEMS压力敏感芯片、波纹膜片、陶瓷底座、TO底座、充油腔体及硅油等组成。在压力敏感头上装上信号调理电路，并装配在一个金属外壳中，即可构成机油压力传感器。MEMS机油压力传感器不仅能够替代传统的产品，直接与汽车的机油压力指示表和低压报警灯连接，指示出发动机的机油压力和提供低压报警信号，而且还具有无机械运动部件、耐高温、耐腐蚀、结构简单、精度高、可靠性高、易于批量生产等优点，并且，符合汽车电子化发展的需求，是汽车油压传感器的一种理想的升级换代产品。二、轮胎压力传感器汽车在高速行驶的过程中，由于剧烈地振动、环境温差较大以及道路上随时检修困难，导致轮胎故障较难预测，也是突发性交通事故发生的重要原因，防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。在我国，高速公路上70％的交通事故是由于爆胎引起的。如果轮胎不够结实或者已经有“伤”，就可能导致爆胎。实践证明，轮胎充气压力高于或低于标准气压时，对行驶里程均有不利的影响，都会缩短汽车的使用寿命。所以预防爆胎就要防止轮胎缺气和慢撒气。除平时常用的轮胎养护方法外，目前，业界公认的防爆胎的有效方法就是安装汽车胎压监测系统。TPMS一种通过放置于汽车轮胎内的压力传感器实现监测轮胎压力情况的系统，主要用于在汽车行驶时，实时的对轮胎气压进行自动监测，当轮胎漏气或低气压时会及时报警，以保障行车安全。与此同时，TPMS也被用于保持标准轮胎气压，达到减少轮胎磨损，降低油耗的目的。目前，TPMS主要分为两种类型。一种是间接式TPMS，此系统通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别（缺气的轮胎转速比正常轮胎转速要快），以达到监视胎压的目的。另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的锂电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，并对各轮胎气压进行显示，当有异常时自动报警。直接式TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压，这些传感器会通过射频信号将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。但是，直接式用电池供电，寿命有限，电池处理也是问题，因此系统的低功耗节电是一个重要的课题，成为约束系统功能的瓶颈。只有在大多数时间让系统进入睡眠状态，才能省电并延长电池寿命。此外，无源化也是TPMS发展的趋势之一。三、进气歧管压力传感器进气歧管压力传感器（MAP）是一种间接测量发动机进气量的传感器。为了适应发动机在高速大负荷和低速小负荷时对供油量不同的需要，减少燃油泵不必要的机械磨损。MAP根据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力的变化，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到发动机电控单元，作为确定喷油器基本喷油量的依据。提高其动力性能，降低油耗，减少废气排放。MAP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，在当今发动机电子控制系统中,应用最为广泛的是半导体压敏电阻式进气歧管压力传感器。国产奥迪100型轿车（V6发动机）、桑塔纳2000型轿车、北京切诺基（2.5L发动机）、丰田皇冠3.0轿车等均采用这种压力传感器。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68河南科技2010.10上“三维测量技术在新产品开发中的应用郑州市热力总公司王企业新产品的开发一般情况下是在原有产品基础上的二次开发，而更多情况下的新产品开发是没有原来产品三维图形的，而只有经过改进的产品实物模型，这就要用到三维测量技术。通过三维测量设备可以快速采集到零部件特征点的空间尺寸，将采集到的数据应用产品逆向设计方法，可以快速地实现新产品的开发。本文中，笔者以三维测量仪为例，介绍新产品开发过程中利用三维测量仪进行数据采集及后期处理的基本过程。一、产品逆向设计简述逆向设计也称反求设计，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计的过程。与传统的设计制造方法不同，逆向设计是在没有设计图纸而有样品的情况下，利用三维测量技术，准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建，最终实现三维实体模型重构。逆向设计在工业领域的应用主要有以下内容：1.新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计。2.现成零件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维式和电感式两种。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。硅膜片是边长约为3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2mm、厚约50mm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。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，这种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。四、碰撞传感器安全气囊是一种当汽车遇到冲撞而急速时能很快膨胀的缓冲垫，从而降低撞击对车内乘客造成的伤害，是一种被动安全装置，具有不受约束、使用方便和美观等优点。安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路。气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。当汽车受到一定角度内的高速碰撞时，控制器根据传感器发出的加速度信号，识别和判断碰撞的强度，当碰撞强度达到设计条件时，引爆气囊的传感器迅速触动点火器引爆氮气固态粒子，形成迅速膨胀的气袋，将人体与车内构件之间的碰撞变为弹性碰撞。通过气囊产生变形和排气节流来吸收人体碰撞产生的动能，从而达到保护人体的目的。以往只在高档轿车选装，目前汽数字化模型。3.损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制。4.产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以及对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。二、三维测量技术在产品逆向设计中的作用零件曲面数字化是逆向工程中的关键技术，需要利用专用设备从实体中采集数据，三维测量仪（图1）可以完成产品逆向设计中曲面数字化的任务。坐标数据采集是从已有产品原型表面获取三维数据点的过程，三维测量仪基于坐标测量原理，对产品曲面的测量包括点测量和扫描测量两种数据采集模式。通常情况下对具有复杂曲面的产品应采用扫描法进行测量，为实现扫描测量，需要定义工件坐标系和给定扫描的“起始点”、方向点”、终止点”和“扫描平面”等。利用三维测量仪对产品曲面进行数字化测量时，首先要对产品曲面的特征进行分析，须对面片进行划分和测量路径规划，提高测量效率和数据的有效性，达到在有限的曲面信息上构造车上配置的气囊数量有增多的趋势，别克1995年推出的概念车XP2000配备就有8个安全气囊。实验和实践证明，汽车装用安全气囊后，汽车发生碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大减小。对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的不同结构的名称也不统一。根据碰撞类型的不同，安全气囊可分为正面碰撞防护安全气囊系统、侧面碰撞防护安全气囊系统和顶部碰撞防护安全气囊系统。按照安全气囊的触发机构可分为电子式和机电式两种。电子式碰撞传感器，目前常用的有电阻应变计式和压电效应式两种。它没有电器触点，在发生碰撞时应变电阻发生变形，使电阻发生变化、传感器输出信号电压发生变化，当电压值超过预定值时，气囊被触发；或者压电晶体在碰撞时发生变化而使输出电压变化，当变化的电压达到预定值，气囊被触发。电子控制式SRS安全气囊系统采用的碰撞传感器按功能可分为碰撞烈度传感器和防护碰撞传感器两大类。碰撞烈度传感器按安装位置分为前碰撞传感器和中央碰撞传感器，用于检测汽车受碰撞程度。防护碰撞传感器又叫做安全碰撞传感器或侦测碰撞传感器。防护传感器与碰撞烈度传感器串联，用于防止SRS气囊产生误爆。随着中国汽车产业的不断发展，MEMS压力传感器应用于汽车电子传感器的需求量会不断增大，不远的将来MEMS压力传感器必定会有一个较大的需求量。HK河南科技2010.10上69