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压阻式压力传感器在汽车上的应用实例

2016-11-18 [责任编辑:wenwei]
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5分
【导读】本文先介绍了压阻式传感器的工作原理,再结合MEMS(微机电系统)技术,介绍了智能化硅压阻传感器。通过性能分析和介绍智能化硅压阻传感器的信号调理设计,陈述了MEMS技术硅压阻传感器于汽车应用上的优势。

1 引言

现在,压力传感器是典型的汽车传感器,它广泛地应用在汽车上。汽车压力传感器的历史开始于1979年,用于引擎燃烧控制的多种绝对压力传感器。随后,它被广泛地用于高压场合,如悬挂压力探测和空调制冷压力探测。在引入OBD(车载自动诊断系统)后,压力传感器也扩展到了低压场合,如挥发的汽油泄漏探测。现在,压力传感器更进一步地扩展到了高压场合,如汽油燃烧喷射和柴油共轨燃烧喷射系统。显然,压力传感器在汽车上有广阔的发展前景。

2 工作原理部分
  
压力传感器可以广义地分为三类:压阻式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器。   

下面,本文将先介绍压阻式压力传感器的工作原理,再介绍应用于汽车的MEMS技术智能化硅压阻式压力传感器的工作原理。 
  
2.1压阻式压力传感器
  
压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件,它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,当它受外力作用时,其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件,常用的是单晶硅膜片。
图1是压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构,封装在外壳内。在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,两片位于受压应力区,另外两片位于受拉应力区,它们组成一个全桥测量电路。硅膜片用一个圆形硅杯固定,两边有两个压力腔,一个和被测压力相连接的高压腔,另一个是低压腔,接参考压力,通常和压大气相通。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。

压阻式压力传感器在汽车上的应用实例

2.2 MEMS技术的智能化硅压阻传感器工作原理
 
为了将压力信号转化为电信号,采用应变原理将惠斯顿检测电桥通过MEMS技术制作在单晶硅片上,使得单晶硅片成为一个集应力敏感与力电转换为一体的敏感元件。如图2所示。

当硅芯片受到外界的应力作用时,硅应变电桥的桥臂电阻将产生变化,一般都为惠斯顿电桥检测模式。如图3所示。

其输出电压表示为:
   
Vo=VBΔR/R(R1=R2,R3=R4,ΔR1=ΔR2,ΔR3=R4)

因为电阻的变化直接与应力P有关,则:

Vo=SPVB±Vos

式中:Vo为输出电压,mV;S为灵敏度,mV/V/Pa;P为外力或应力,Pa;VB为桥压,V;Vo为零位输出,mV。

单一的硅片芯片只能作为一个检测单元的一部分无法独立完成信号的转换,所以必须有特定的封装使其具备压力检测的能力。将图2中的硅片芯片与PYREX玻璃环静电封接在一起。PYREX玻璃环作为硅芯片的力学固定支撑弹性敏感元件并且使硅芯片与封装绝缘,PYREX玻璃环的孔恰好成为了传感器的参考压力腔体和电极引线腔体。其结构如图4所示。图4的敏感芯体封接在金属螺纹底座上形成进压的腔道后,成为一个可安装的压力测量前端,见图5。此封装技术可以承载至少15MPa的压力,若经特殊处理可承载100MPa的压力。

压阻式压力传感器在汽车上的应用实例
 
压阻式压力传感器在汽车上的应用实例

3  技术性能分析

通过静态特性测试,MEMS技术的智能化硅压阻传感器的技术指标如下:

  1. 重复性小于±0.2%满量程
  2. 迟滞小于0.1%满量程
  3. 非线性小于±0.1%满量程
  4. 灵敏度为0.02V/kpa
  5. 该传感器的分辨率为100pa
  6. 该传感器的过载能力达200%
 
而普通压阻式压力传感器(如HZ-PRC-802型)技术指标:
  1. 测量精度为0.5%(包含线性、重复性、迟滞指标)
  2. 灵敏度为±0.02%FS/℃
  3. 瞬时过载为两倍满量程
 
可见,MEMS技术的智能化硅压阻传感器是高稳定性、高灵敏度、宽温度范围、小封装尺寸和高质量的独特组合。其具有更大的应用优势。
 
4  应用于汽车的MEMS技术智能化硅压阻式压力传感器的信号智能调理设计

如图3传感器输出电压信号,Vo=VBΔR/R(R1=R2,R3=R4,ΔR1=ΔR2,ΔR3=R4)在理想状态下其信号输出是一个线性变化值。但是单晶硅材料的传感器属于半导体传感器其受温度的影响比较大。这使得传感器在环境温度变化时输出呈现变化,影响读出精度。对图3的电桥加入温度对电桥的影响,得出下式:    

V0=VBΔR/(R+ΔRt)

理想状态下若ΔRt=0,则Vo=VBΔR/R,但是在汽车应用环境中温度的影响很大,所以必需采用补偿技术。图6为一组实测得的未补偿过的传感器的宽温度范围温度压力曲线图。显而易见,在汽车常用的工作温区,温度引入的读出误差达到了10%左右,这显然是不允许的。传统的补偿方法是在桥臂上串并联电阻法补偿,为提升工作效率采用激光修调预先制作在陶瓷基板上的厚膜电阻网络的办法来实现。但是此法有很多的缺点和局限性,并且宽温度区的补偿后精度也仅为2%~3%,达不到汽车测压的要求。通过采用数字化的信号处理将传感器的微弱信号转化为标准电压信号,并且植入模型算法将输出的标准信号补偿到一定的精度范围内,是当代最新的传感器信号调理技术。

压阻式压力传感器在汽车上的应用实例

信号处理链路框图,图7所示。

在温度传感器的辅助作用下通过信号转换开关分时读取压力与温度的数值,通过可编程增益放大器将微弱信号放大,再经过ADC量化传感器的信号进入数字处理器计算当前温度和 压力下的补偿后压力输出给数模转换DAC输出模拟信号。而温度补偿则可以通过通讯接口将参数写入EEPROM 供数字处理器计算时调用。如此多的功能部件均可集成制作在一块单一芯片上,使得ASIC电路很容易和MEMS技术制作的压力敏感芯片封装在一个小巧的壳体中。

在宽温度范围内实测校准后的传感器有效抑制了温度变化对其产生的影响。如图8所示的多只标准信号输出的传感器宽温度校准数据曲线:不难看出,在宽温度工作环境下采用此法校准的传感器的读出温度已达到宽温度的高精度测量要求,且通过多通道的通讯接口进行校准的方法与批量制造技术兼容,实现制造车用传感器的高性价比的要求。

压阻式压力传感器在汽车上的应用实例
 
压阻式压力传感器在汽车上的应用实例

5 结语
  
本文介绍了压阻式传感器的工作原理,并结合MEMS(微机电系统)技术,介绍了智能化硅压阻传感器。通过性能分析,得出了MEMS技术硅压阻传感器于汽车应用上的优势地位。在汽车的常用温区,对读出精度有很高的要求,而现代MEMS技术硅压阻传感器通过信号智能调理设计,很好地满足了这个要求。

随着汽车工业在我国的发展, MEMS技术硅压阻传感器将呈现大的增长趋势。




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关键字:压阻式 压力传感器 汽车 应用 
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