摘要介绍了实用化汽车压力传感器的功能

摘要介绍了实用化汽车压力传感器的功能 摘 要 介绍了实用化汽车压力传感器的功能、原理、结构、特点和技术指标。评述和 预测了其发展动向。 关键词 汽车 压力传感器 压力开关 压电式 半导体式 电容式 Present Situation and Development of the Automobil Pressure Transducer Song Guoqing ( Northeast China Research Institute of Transduction Technology , Harbin 150001) Abstract The function priciple , structure and characteristic of the automobil pressure transducer are presented. Development of the Automobil pressure transducer is introduced. Key Words Automobil Pressure transducer Pressure switch Piezoelectricity Semiconductor Capacitive 0 引 言 汽车传感器是汽车电子化、智能化的基 础和关键。1970 年以前汽车尚没有装配传 感器[1 ] ,到了1988 年汽车传感器已成为第二 大传感器市场。全世界的销售额已达到90 亿马克,其中将近50 %的市场在欧洲[1 ] 。美 国和日本的轿车发展速度相差无几,美国1990 年采用电子控制的轿车已占本国汽车总数的 90%;日本的汽车年产量已超过1000 万台[2] 。 现在高级豪华轿车和智能化汽车使用的 传感器已接近200 种。国际知名品牉汽车使 用的传感器通常为数十只,例如:美国通用汽 车公司的轿车一般采用(30,36) 只;日本丰 田轿车装有(20,50) 只,日本日产轿车也装 有30 只左右。 汽车传感器中使用量较多、发展得最快 的是压力传感器。世界压力传感器市场以每 年6. 9 %的速度增长[1 ,2 ] 。汽车压力传感器 现已实用化的产品如下:膜合+ 差动变压器 式、压电式、扩散硅式和电容式压力传感器, 其中前两种最成熟,第三种生产量最多,年产 量已达1000 万只,1986 年它仅占汽车压力 传感器产量的20 % ,1993 年已占70 % ,现在 仌不断完善和发展[1 ,2 ] 。电容式压力传感器 是由于其灵敏度高,温度特性佳,过载能力甚 强,是最有前途的一种,遗憾的是成本高。据 预测今后汽车压力传感器的市场仌要由扩散 硅式和电容式传感器统治。 1 汽车压力传感器的种类和使用条件 15 年前,汽车发动机才真正采用电子控 制。现在吸气压力传感器和大气压力传感器 已实用化,正在开发的压力传感器主要是围 绕着燃料喷射的电子监测系统、电子点火提 前量调整系统、保安防撞系统、刹车控制系统 和制动器操纵系统,具体品种有: (1) 空气压缩机的氟利昂制冷剂的压力 控制传感器; (2) 涡轮发动机的压力升压比监控传感 器(15 kPa,200 kPa) ; (3) 燃料喷射压力的监控传感器(15 kPa, 200 kPa) ; (4) 油压监视传感器; 1998 年第17 卷第6 期 传感器技术(Journal of Transducer Technology) 1 (5) 变速器油压控制传感器; (6) 制动系统防止车轮抱死的制动压力 传感器; (7) 用于海拔高度测量,以使实施最佳燃 料喷射点火控制的大气压力传感器; (8) 悬架装置的控制用油压传感器(汽车 高度、减震力弹性系数的测控) ; (9) 动力转向装置的油压控制; (10) 发动机液压传感器; (11) 轮胎欠压报警; (12) 发动机控制系统中直接测量燃烧压 力的微压力传感器; (13)旅客人身安全保护气囊用压力传感器; (14)汽缸内压力检测的动态压力传感器。 上述的14 种汽车压力传感器,随着汽车品 牉略有差异,而对它们特性的共同要求如下: (1) 特性稳定、可靠性高; (2) 适宜批量生产、成本低; (3) 体积小、重量轻、安装和更换方便; (4) 耐高温和低温特性佳; (5) 抗振动、冲击和加速度能力强; (6) 耐尘埃、冲洗和潮湿能力强; (7) 即使有(6,16) V 的电压变化,也能 正常工作; (8) 具有强抗腐蚀、耐老化能力、抗电磁 干扰能力; (9) 成本低于10 美元。 上述要求颇为苛刻,随着汽车品牉不 同,各有不同侧重。安装位置不同,汽车压力 传感器也有不同的要求,这些已反映在一些 国家的标准中,例如日本工业标准J ISD0208 等。 2 实用化的典型汽车压力传感器 2. 1 真空压力开关传感器[3 ] (1) 功能与原理 检测汽车发动机空气过滤网孔是否堵塞的 传感器。它是根据过滤器两端的压力差检验 的;若压力差为零,则未堵塞;反之,则堵塞。 (2) 结构:膜片+ 舌簧接点开关式 (3) 特点 a 体积小、重量轻、便于使用。 b 可靠性高,耐恶劣环境工作能力强。 (4) 应用实例 把传感器安装在发动机空气过滤器上, 若网孔堵塞,则指示灯发光。 (5) 主要技术指标 额定电压:直流12 V 额定负载:12 V ,3. 4 W 灯泡 动作的压力(开启?闭合) : ( - 4. 9,0. 5) kPa 动作的压力(闭合?开启) : ( - 4. 9,0. 5) kPa 最大允许压力: - 9. 8 kPa 内阻:8. 2 Ω 工作温度范围: ( - 30,110) ? 抗振能力:5 gn (49 m/ s2) 2. 2 气动清洗机用压力传感器[3 ] (1) 功能与原理 检测汽车气动清洗机网孔是否堵塞的传 感器,利用膜片、磁铁、弹簧和接点开关的组 合检测两点间的压力差。 (2) 结构:膜片+ 舌簧接点开关式 (3) 特点 a 压力灵敏度高,稳定性佳 b 触点可靠性高 (4) 在汽车中的使用方法 把传感器安装在气动清洗机上,检测由 于网孔堵塞产生的负压力,并在面板上显示 出来,仍而可以确定气动清洗机的适时清洗 时间。 (5) 主要技术指标 工作压力:开关开启时压力:6. 28 kPa 开启?闭合时的压力差:1. 1 kPa 气密漏泄率:1nl/ min 绝缘电阻:10 MΩ 接触电阻:小于0. 5 Ω 2. 3 油压开关传感器[3 ] (1) 功能 用于汽车油压指示器等装置,检测油压 的有无。 2 传感器技术 第17 卷 (2) 结构:膜片式 当压力为零时,膜片被挤向弹簧,其接点 闭合,呈接通状态;当加压时,弹簧被挤压,接 点离开,成为开启状态。设定的压力值:低压 为20 kPa ,高压为0. 15 MPa,0. 3 MPa 。 (3) 特点 a 耐高温,抗30 gn 的强振动,故可以直 接安装在发动机上; b 可靠性高。 (4) 在汽车上的使用方法 应用在汽车油压 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 中,检测有无油压,控 制接点的开闭。 (5) 主要技术指标 项 目低压用高压用 额定电压直流12V 或24V 直流12V 或24V 额定负载 12V. 3. 4W或 24V. 3W灯泡 3. 5A 或1. 7A 特 性 动作 压力 允许静压 允许动压 电压降 (20 ?5) kPa 98kPa 686kPa 0. 75V(电流0. 3A 时) (2. 65 ?0. 98) MPa 切断(20. 6 ?1. 18) MPa 气密性2. 942MPa 耐压4. 413MPa < 0. 2V 使用温度( - 10,150) ? ( - 30,100) ? 耐振特性30 gn 3 gn 2. 4 电荷输出式压电汽缸压力传感器[4 ] (1) 功能与原理 检测汽车汽缸燃烧压力的变化的传感 器,即检测燃烧是否正常? 它是利用正压电 效应制作。 (2) 结构:金属膜片+ 水晶压电片式(或 PZT 陶瓷) 金属膜片把被测压力变成力,当x 切水 晶的y 轴受到力作用时,与x 轴垂直的面内 会出现与x 切极性相反的电荷,因此串联压 电片可提高输出电压。传感器装有负载套, 故可测量负压。 (3) 特点 a 输出信号大; b 动态响应特性佳、温度稳定性优; c 体积小、重量轻、坚固、耐用。 (4) 汽车中应用实例 测量汽缸内部压力。 (5) 主要技术指标 SYC 型压电压力传感器的性能 技术性能SYC - 02A SYC - 03A SYC - 04A SYC - 05A 最大压力(kg/ cm2) 250 250 1000 500 工作压力(kg/ cm2) 150 150 600 250 绝缘电阻(Ω) > 1013 > 1013 > 1013 > 1013 灵敏度(PC/ kg/ cm2) 17 70 4. 57 16 线性度< 1 % < 1 % < 1 % < 0. 8 % 温度系数(kg/ ?) 0. 01 0. 01 0. 005 加速度灵敏度 ( kg/ cm2/ gn ) 0. 004 0. 004 0. 001 自振频率(kHz) 65 60 95 130 用 途汽缸压力进排气压力高压油管压力通用 2. 5 汽车用油压传感器[5 ,6 ] (1) 功能和原理 检测汽车油压,这是一种中高压用扩散 硅压力传感器,它是利用压阻特性工作的。 (2) 结构:扩散硅压敏片+ 金属膜+ 硅油 (3) 特点 灵敏度高、体积小、适宜批量生产。 (4) 主要技术指标 汽车油压传感器的特性 项 目最 小典 型最 大 应变电阻(kΩ) 4. 5 热零点漂移(10 - 6/ ?) - 2000 2000 2000 热灵敏度漂移(10 - 6/ ?) - 1000 - 2000 3000 额定输出电压(mV) 40 120 绝缘电压(V) 数十 非线性( %FS) - 2. 0 + 2. 0 3 汽车压力传感器的发展动向 汽车压力传感器品种正在不断地增加, 功能逐渐完善。一般地说来,开关式压力传 感器逐渐地被线性压力传感器替代;普通性 能的逐渐地被高性能、多功能的传感器取代, 模拟式压力传感器逐渐地被数字式传感器、 智能化传感器代替。 下面以半导体式和电容式压力传感器为 :汽车压力传感器的现状和发展 3 第6 期 宋国庆例,具体地评述汽车压力传感器发展动向。 (1) 半导体式汽车压力传感器 半导体压力传感器的主要缺点是温度系 数较大,过载能力差,耐恶劣环境工作能力欠 佳。为了提高耐恶劣环境工作能力,以前主 要采取表面钝化法,即在敏感元件表面制作 SiO2 、Si3N4 保护层。为了减少温度的影响, 在工艺窗口处和引线处涂覆硅胶保护。可是 时间久了,硅胶与晶片的界面仌会进水。汽 车空调压力传感器新的保护法是在硅扩散面 侧封入干燥惰性气体。此外,以前大都是表 压传感器结构。由于硅膜片是硬脆材料,一 旦膜片破裂,则会造成氟里昂冷却剂外泄,现 在利用电子束焊接技术把金属外壳与本体焊 成一体,构成全密封绝压式传感器结构,那么 即使压力过载,膜片碎裂,氟里昂也不会泄 漏。最近日本长野计器公司生产了汽车制动 系统用KH - B 型多晶硅薄膜不锈钢压力传 感器[5 ] 。这是一种高性能、低成本的传感 器,它解决了高精度与低成本、高过载和小量 程的矛盾。在不锈钢膜片衬底上制作多晶硅 薄膜应变电阻器,再把不锈钢膜片与传感器 的不锈钢壳体用电子束焊机焊在一起。可以 耐数万个gn 的加速度冲击。电子束焊几乎 不升温,对膜片上的应变电阻器无影响。又 因在真空状态下焊接,可靠性高。以前传感 器的芯片和芯柱大都采用静电封接工艺,而 芯柱与传感器本体采用硅橡胶或用低融点玻 璃接合;新工艺是采用高熔点高硬度合金焊 接技术,不仅固支效果好,而且接合强度佳, 其迟滞、蠕变和负载寿命等指标都大大提高, 例如其寿命加载已超过1000 万次。 为了改善半导体压力传感器的温度特 性,已在开发高精度、高稳定、高过载、耐恶劣 环境工作的硅谐振压力传感器[7 ] 。 简言之,在不增加成本的前提下,既要保 持传感器的准确度,又要提高其耐恶劣环境 工作能力,改善稳定性和可靠性,仌旧是半导 体式汽车压力传感器的主要课题。 (2) 电容式汽车压力传感器 汽车用电容式压力传感器大都是采用陶 瓷膜片,可是陶瓷与金属的热膨胀系数相差 较大,故接合处易产生热应力,最近商品化的 电容式硅集成化压力传感器较好地解决了此 难题。 此种压力传感器的特点是灵敏度高、频 率信号输出。因具有数字运算 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 ,故很容 易进行调整和补偿。在功能和成本上,颇有 竞争优势。其过载能力也很高, (0,490) Pa 量程的微压力传感器,可以加载0. 7 MPa ,过 载能力1200 倍以上,这是各种压力传感器无 可比拟的。 目前真正广泛使用的汽车压力传感器仌 旧是LVDT(线性变化差动变压器) 式、压电 式、半导体式和电容式。由于硅的微机械加 工技术、刻蚀终结检测技术、静电封接技术、 钝化和氮密封技术的飞速发展,以及温度补 偿、灵敏度补偿和计算机串行输出电路的进 步,半导体压力传感器的市场占有率将得到 进一步增长。 特别是集成化电容式和硅谐振式压力传 感器的商品化为汽车压力传感器展现出美好 的前景。在汽车电子化、智能化的进程中,传 感器仌是主要矛盾。与计算机相比其相对成 本仌比较高、可靠性较低,然而随着新理论、 新材料、新工艺的出现与发展,这些问题是可 以解决的。 参 考 文 献 1 Kleinschmidt P. Sensors and Actuators ,1992 ,A31 :35 2 ЗарубежнаяPадиоэлектроника,1989 , (9) :92 3 日本电装株式会社. の. Ó . . . . Í • ,1994. 9,12 4 张福学. 压铁电应用?285 例. 国防工业出版社,1987. 213,214 5 日本长野计器制作株式会社. . . Í • ,1997. 7,9 6 日产自动车(株) . . Ó . . . . Í • ,1996. 4,6 7 Christel L. Transducers’89 ,1989. 88,89 ?作者简介? 宋国庆,男,1964 年生。1986 年毕业于天津大学材料 系,获工学学士学位。现为东北传感技术研究所工程师。 收稿日期:1998 - 08 - 25__