高级汽车发动机中传感器技术介绍…………森萨塔电子技术(上海)

2006汽车发动机高层研讨会——高级汽车发动机中传感器技术介绍赵国峰博士森萨塔电子技术（上海）有限公司1前言2发动机运行环境3传感器技术应用3.1微电子机械系统（MEMS）技术3.2硅应变片技术4信号处理与封装主要内容1前言当今世界各国对环境保护的日益重视，对汽车排放的要求越来越严格。国家环保总局公布了轻型汽车第III、IV号排放标准，并从2007年7月1日起实施国III标准。另一方面，随着汽车产业的进步，对汽车的运行、安全等综合性能提出了更高的要求。为此，各种先进技术不断地应用于发动机的各个环节中，如改进发动机结构、实施精确的电控燃油喷射及采用尾气后处理技术等等。这些技术中，性能可靠的高精度传感器必须的前提保证。整个发动机系统中，各种各样的传感器达几十种之多，以柴油机共轨发动机系统为例：柴油机应用传感器(电控共轨)PressuresensepointEGRValveTurboAirFilterBAPEBPDieselPart.Fil.DeltaPAirFilterDeltaPNOxNH34DieselPart.Fil.Gage/AbsoPres.PressureSensorsSensors-OthersEGRdPO2CatalystMufflerDieselPart.FilterNSTSCRUreaTank1256FuelTankLowPressureFuelPumpInjPumpCommonRailPressure98LowPres.FuelPumpPres.+T7SCRUreaInjectionPres.10CPSKnockCrankcasePressure12HumidityMAFMAF+TMAPMAP+TBoost311EOPEOP+TEOSw.本文主要针对高级发动机系统中，随着高压喷射、EGR循环、尾气后处理等技术的应用而引入的高性能传感器，结合森萨塔传感器介绍了基于MEMS技术的进气歧管绝对压力传感器、空气质量流量传感器及压差传感器，以及基于硅应变片技术的高油压传感器。上述共轨系统中，各种可能涉及的传感器包括：1.大气压力传感器2.空气滤清器压差传感器3.歧管绝压/温度传感器,空气流量传感器4.EGR压差传感器，排气背压传感器5,6.DPF压差传感器7.SCR尿素喷射压力传感器8.低压油泵压力传感器9.共轨压力传感器10.缸内压力传感器11.发动机机油压力及温度传感器12.曲轴箱压力传感器。以及油门踏板位置传感器，转速传感器，曲轴位置传感器，加速踏板位置传感器，冷却液温度传感器，进气温度传感器，氧传感器，湿度传感器，NOx传感器，NH3传感器等等。2发动机运行环境尽管经过了空气滤清器的净化，进气歧管中的环境依然非常复杂，从外界进入的空气中可能随气候的不同含有不同程度的水汽，经过长时间工作的滤清器进入的灰尘；中间环节有油箱蒸汽排放进入的油气；进气阀门开闭会产生反向气流，特别是采用EGR的系统中尤为如此；同时，从尾气通道经EGR系统进入的尾气颗粒也是必须考虑的。尾气后处理系统中，除了各种废气、微粒外，高温环境也对传感器提供严格的要求。1000200030004000500060007000100806040200速度rpm扭矩%汽油发动机，可变气门1.6l,100hp自然进气柴油机2.0l,72hp图2EGR阀中的尾气颗粒图1发动机不同工况时的反向气流3传感器技术应用3.1微电子机械系统技术MEMS(MicroElectro-mechanicalSystem)微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上对晶元进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。由于其小尺寸、低功耗和低成本的优点，被广泛应用与汽车传感器领域。目前，先进的进气歧管压力传感器、压差传感器与空气流量传感器都采用了MEMS技术。Siliziumtr鋑errahmenKeramiktr鋑erplatteDruckausgleichsbohrungDye-Bond-KleberDye-Bond-KleberAL-K黨lk鰎perW鋜meleitklebera)进气歧管绝对压力传感器MAP(ManifoldAbsolutePressure)以森萨塔科技的进气歧管绝对压力传感器TMAP为例，该传感器的压力测量单元MAP部分基于MEMS技术的压阻效应原理，采用三维集成电路工艺，在同一硅片上进行特定晶向的微机械加工，生成分别受拉和受压的四个应变电阻，构成全惠斯顿检测电桥，成为集应力敏感与力电转换检测于一体的压力感应模块，如图3所示。感应模块引线保护凝胶硅基底参杂电阻基模绝对压力-ΔR+ΔR图3MEMS压力感应模块图4感应原理b)压差传感器DPS(DifferentialPressureSensor)应用DPS输出的颗粒捕集器两端的压力差信号，ECU能够高效率地选择“重生”时刻，进行尾气排放管理。运行很好的尾气处理系统，如图所示的CRT+EGR系统，能够减少废气中的颗粒达70%-90%，CO和HC达90%，及NOx达40-60%。(数据来自：S.Chatterjee和J.Matterhey:CatalyticEmissionControlforHeavyDutyDieselEngines)ECUDPS传感器温度传感器OCC颗粒燃油喷射EGR阀涡轮增压器图5尾气颗粒捕集器的连续“再生”技术压差传感器主要用于尾气后处理系统中测量颗粒捕集器两端的压差，供ECU选择合适的“再生触发”时机及额外燃料注入量。DPS的MEMS技术与MAP基本相同，主要的区别是MAP的基模与感应模块之间有一块密闭的真空区域，而DPS的基模上有孔隙使得气体压力能够到达感应层，测量两个不同环境中气体的压力差。图6森萨塔DPS图7DPS安装方式c)空气流量传感器MAF(MassAirFlow)传统测量空气质量的传感器是基于热线或热膜原理的，热线或热膜、温度补偿电阻及精密电阻构成惠斯顿电桥。测量时，热线或热膜被加热至特定温度，将进气流导致的温度差加热至原来的特定温度所需的加热电流即可作为空气质量的度量。现代空气质量流量传感器将MEMS技术应用于上述原理，不仅在成本上，而且在精确性、抗污染性等性能上得到很大的提高。图8森萨塔MAF图9不同蜂巢结构对进气气流的影响MAF传感器要求通过其截面的空气质量均匀分布。图9中，右图表明经过特殊设计的蜂巢可以使进气气流呈均匀的流线型，从而使采样的气流具有很好的代表性。同时，采样模块的设计必须有较强的对灰尘、微粒等的抗污染能力。但是，由于设计原理的不同，许多空气流量传感器没有考虑反向气流的影响。森萨塔MAF传感器（图10）具有针对反向气流独特结构设计。图10森萨塔MAF感应原理正向气流反向气流热膜电阻森萨塔MAF传感器采用两套基于热膜原理的惠斯顿测量电路（图10），没有空气流入时，输出为零；正向气流情况下，第一个热膜电阻被气流带走较多的热量，传感器输出正值；反之为负值。因而很好地解决了反向气流的干扰。sensorsignal,[V]正向气流反向气流时间,ms输出信号010203040321反向气流区域Engine:1.9lSDI，Throttle:openSpeed:1100rpm，EGRValve:open第一传感模块第二传感模块传感模块信号,v输出发动机转速rpm-20020406080100100014001800220026003000Bi-DirectionalStandard信号误差%1.9lSDIEngine图11MAF传感信号图12不同测量的精度图11中，传感器比较两个传感模块的输出，不仅可以反应气流的方向，而且可以消除反向气流的影响，给ECU提供更为精确的空气流量信号。图12表明，基于双桥原理测量技术有效地提高了传感器的测量精度。d)MAF与TMAP的比较从测量原理分析，ECU需要综合TMAP、空气体积等信号，间接地得到空气质量的信息，而MAF传感器由于是直接测量空气质量，是更为精确的方法。但实际上，由于发动机结构及具体应用不同，二者没有这样明显的区别。MAF传感器要求进气气流密度均匀、稳定，故其测量精度受蜂巢结构及进气管路的结构的影响。另一方面，由于具有价格优势，MAP通过较为精确的标定算法，也可以满足发动机的需要。先进的发动机系统中，可变气门正时VVT系统和EGR系统的引入使得发动机效率和排放得到了很大的提高。但是，这些系统也增加了进气歧管中空气的波动性，影响了通过MAP传感器间接测得的空气流量的精确性。因此，直接测量空气流量的MAF传感器在这类发动机系统中得到广泛应用。3.2硅应变片技术MSG(Micro-fusedSiliconGage)为实现产业技术升级，满足国家燃料消耗及排放要求，电控燃油喷射技术被广泛应用于发动机系统中。图13柴油机共轨系统及高压传感器位置示意图共轨压力传感器柴油发动机共轨系统油压可达180MPa，汽油发动机油轨压力可达20MPa。这不仅要求油压传感器满足高的工作压力，而且对测量精度、密封性等方面有着非常严格的要求。图14汽油直喷GDI系统及高压传感器位置示意图GDI高压传感器凸轮轴+s-sp图15森萨塔MSG原理c)应变片受力分析b)应变片分布R1R2R3R4图15为森萨塔MSG传感器原理分析示意图。处于工作状态时，传感表面中间的两个应变片受到拉力，边缘的两个应变片受到压力。a)森萨塔MSG传感器32,RR41,RR受到拉力，边缘的应变片p-DR+DRpressurevoltageASIC+DR+DR-DR-DRVbVnVp上述四个应变片组成了惠斯顿电桥，正如MEMS技术应用中所述，这种由四个感应元组成电桥，具有高度的测量灵敏度，不受环境温度变化的影响。同时，传感器采用高度密封的整体结构设计，如图16所示，保证了在高压管路中高强度密封性要求。P图16传感器结构与感应电桥4信号处理与封装流水线上批量制作的传感器通常达不到输出特性的要求。必须针对每个传感器进行单独的微调（trimming）和标定。4.1信号调制与标定SerialInterfaceUBattUrefoutputUTempSensorsHybridProtectionCircuitAnalog-CircuitryMUX11bitADCMCROMRAMEEPROMDigitalCircuitryASIC-schematicCAN11bitDAC16bittimerCorrectionmap120234516-4512-34-542Massflowdébitd’airMastercurveRealvaluesDefaultcalibrationFinalverificationNrU1U2U3U4U5ProgrammingstationAllpointswithinspecifiedtoleranceNotallpointso.K.CalibrationcycleOutputsignaltolerancesRealvaluestolerancesSeriallink4.2感应模块封装感应模块上的感应层必须紧密接触要感应的介质，但又必须避免同介质直接接触带来的负作用，如应力引起输出漂移，热传导，酸、离子、油气等污染。BackUpSensataTechnologies,Inc.简介Thosethingsgiftedwithsense.SensataTechnologies,Inc.SensataTechnologies原德州仪器传感器与控制器事业部。公司于1916年4月24日在美国Attleboro成立。公司在材料和温度感应控制领域的杰出业绩吸引了TexasInstruments的注意，并直接导致了于1959年与TI正式合并。2006年4月27日转让给美国著名投资基金公司BainCapital。SensataTechnologies,Inc.全球总部SensataTechnologies,Inc.德州仪器传感器和控制器事业部转让给贝恩投资（BainCapital）有限公司的事宜已于4月27日完成。我们将以森萨塔科技（SensataTech