第4章 压力传感器

第4章压力传感器4.1压力的概念及单位4.2汽车用压力传感器种类与用途4.3半导体进气压力传感器4.4集成电路型(IC)大气压传感器4.5半导体微差压力传感器4.6发动机控制用小型压力传感器4.7利用微控制器技术的高压传感器4.8共轨系统用超高压传感器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4.10接触式转向角度/扭矩传感器4.11动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器4.1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“压强”也称为压力。国际单位制中定义压力的单位是:1N的力垂直均匀作用在1m2面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称为帕，符号为Pa。帕斯卡是一个很小的压力单位。下一页返回4.1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bar，它大体上等于一个“工程大气压”，“工程大气压”的符号为at，相当于1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力，“标准大气压”的符号为atm，它是指在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有“大气压”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。上一页下一页返回4.1压力的概念及单位“约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱，其符号为mmHg，它是指在标准重力加速度(980.655cm/s2)下，0℃时，1mm高水银柱底面上的压力。“约定毫米水柱”简称为毫米水柱，其符号为mmH2O，它是指在标准重力加速度之下，4℃时，1mm高的水柱底面上的压力。上一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.1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上，利用压力差检测堵塞状况。真空开关的结构如图4一1所示，其工作原理是: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。将A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。在这种状态下，当产生压力差时(AB)，在B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动，笛簧开关导通。下一页返回4.2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，其结构如图4一2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是否有堵塞。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.3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，其结构如图4一3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，当压力作用到膜片上时，压缩弹簧，使触点断开。油压指示器的原理如图4一4所示，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;当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开关的特性如图4一5所示。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.4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4.2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。其结构如图4一7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的传感元件。上一页下一页返回4.2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用于检测汽车空调的冷媒压力。传感器内设有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与4.2.5介绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如图4一8所示。上一页下一页返回4.2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用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一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控制微机中。传感器的结构如图4一9所示，其上采取了防干扰措施。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.8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“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)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图4-10所示，它包括有: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4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.9增压传感器在日产的vQ30DET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4-11所示，在怠速、使用普通汽油、水温超过115℃、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。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.10主油缸压力传感器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4-12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。上一页下一页返回4.2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如图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4.3半导体进气压力传感器4.3.1传感器的结构压力传感器的结构如图4一14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。下一页返回4.3半导体进气压力传感器4.3.2传感器的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:①压力加到膜片上时，膜片上产生应力;②随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化;③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。上一页下一页返回4.3半导体进气压力传感器4.3.3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表4-1所示。(1)压力额定值(2)输出电压特性(3)精度与温度特性上一页下一页返回4.3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、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如图4一15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4.4集成电路型(IC)大气压传感器4.4.1IC大气压传感器的构成(1)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，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个输出端子之间以电位差的方式对外输出。下一页返回4.4集成电路型(IC)大气压传感器(2)电路的特性。压力传感器的主要特性有以下4项:①灵敏度;②偏置电压(0Pa时的输出电压);③灵敏度的温度特性;④偏置电压的温度特性。(3)传感器的结构。IC大气压传感器的内部结构如图4-16所示。上一页下一页返回4.4集成电路型(IC)大气压传感器4.4.2制造工艺(1)芯片工艺(2)元件加工艺(3)性能的调整(4)性能检查上一页下一页返回4.4集成电路型(IC)大气压传感器4.4.3规格与可靠性IC大气压传感器的规格见表4一2。电源电压为5V单一电源。压力灵敏度的设定值为39.49mV/kPa,101.3kPa(1个大气压)时的输出电压为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，二是半导体管芯的表面受压。表4-3是IC大气压传感器的几项可靠性试验项目。除此之外，还要进行汽车特有的环境试验及装车试验。上一页返回4.5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，而流体的流量(体积流量)等于流管的截面积与流速之积，因此通过测量涡旋频率就可以知道流体的流量。下一页返回4.5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4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，利用半导体的压阻效应将机械应变转换成电阻的变化。上一页下一页返回4.5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，所以在半导体管芯处互相抵消。上一页下一页返回4.5半导体微差压力传感器4.5.2微差压力传感器的特点①压力检测范围为1.33x10-4~13.3kPa，且动态范围很宽②耐压能力高，最高容许压力为66.6kPa。③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(同相成分)的灵敏度很低。④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⑤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4.5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是由涡旋发生柱(下盖)、上盖、引线框、半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯与引线框的键合材料组成的。上一页下一页返回4.5半导体微差压力传感器4.5.4加工工艺(1)硅片工艺(2)元件工艺(3)性能检查上一页下一页返回4.5半导体微差压力传感器4