基于单片机的AD590的温测控系统设计 (2)

1、第第4章章 压力传感器压力传感器 4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 4.2 汽车用压力传感器种类与用途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半导体进气压力传感器 4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器 4.5 半导体微差压力传感器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采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩 传感器传感器 4.10 接触

2、式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器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的概念。工程技术上将物理学里的“压强压强”也称为压力。也称为压力。 国际单位制中定

3、义压力的单位是国际单位制中定义压力的单位是:1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1 m2面积上，所形成的压力为面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称为帕，符号为个帕斯卡，简称为帕，符号为 Pa。帕斯卡是一个很小的压力单位。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，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。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，符号为气象部门较早使用的压力单位为巴，

4、符号为bar，它大体上，它大体上 等于一个等于一个“工程大气压工程大气压”， “工程大气压工程大气压”的符号为的符号为at，相，相 当于当于1kg的力垂直作用在的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力，面积上所形成的压力， “标标 准大气压准大气压”的符号为的符号为atm，它是指在纬度，它是指在纬度45的海平面上，的海平面上， 0时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有“大气压大气压” 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。的恒定值。 上一页 下一页返回 4.1 压力的概念及单位压

5、力的概念及单位 “约定毫米汞柱约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱，其符号为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它是指在标准重力加速度(980.655cm/s2)下，下，0时，时，1 mm高水银柱底面上的压力。高水银柱底面上的压力。 “约定毫米水柱约定毫米水柱”简称为毫米水柱，其符号为简称为毫米水柱，其符号为mmH2O，它，它 是指在标准重力加速度之下，是指在标准重力加速度之下，4时，时，1mm高的水柱底面上高的水柱底面上 的压力。的压力。 上一页返回 4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途 4. 2. 1真空开关真空开关 真空开关的作用是检测空气滤

6、清器有否堵塞，它主要用于化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。油器规格的车辆上，利用压力差检测堵塞状况。 真空开关的结构如真空开关的结构如图图4一一1所示，其工作原理是所示，其工作原理是:A腔与腔与B腔之腔之 间会产生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。间会产生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。 将将A接头与接头与B接头分别与要检测压力的部位接好管道，就可以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，当产生压力差时测出压力差。在这种状态下，当产生压力差时(AB)，在，在B 腔负压的作用下，膜

7、片推压弹簧向图示的下方移动，与膜片腔负压的作用下，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。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，其结构如管的负压，再通过连杆控制触点的闭合与断开，其结构如图图 4一一2所示。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进气歧管内会产

8、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。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汽车用压力传感器种类与用途 4. 2. 3油压开关油压开关 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，其结构如上等，其结构如图图4一一3所示。它是由膜片、弹簧及触点构成所示。它是由膜片、弹簧及触点构成 的。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。油压指示当压力作用到膜片上时，压

9、缩弹簧，使触点断开。油压指示 器的原理如器的原理如图图4一一4所示，当油压开关的触点闭合时，指示灯所示，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。因此，在启动发动机之前闭合点火开关时，油压指示灯 亮亮;当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开 关的特性如关的特性如图图4一一5所示。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汽车用压力传感器种类与用途 4. 2. 4油压传感器油压传感器 这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，它这种传感器用于带油压助力装置的制动

10、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。其结构如压的异常报警。其结构如图图4一一6所示，其内设有半导体应变所示，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，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。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汽车用压力传感器种类与用途 4.

11、2. 5绝对压力型传感器绝对压力型传感器 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。其结构如膜片。其结构如图图4一一7所示，它是用硅材料加工成膜片，再所示，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。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 相对压力型高压传感器用于检测

12、汽车空调的冷媒压力。传感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，其工作原理与器内设有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与4. 2. 5介介 绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如图图4一一8所示。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 半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一一D) 的进气歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动的进气歧路压力，并将其变

13、换成电信号，放大后输入至发动 机控制微机中。传感器的结构如机控制微机中。传感器的结构如图图4一一9所示，其上采取了防所示，其上采取了防 干扰措施。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汽车用压力传感器种类与用途 4. 2. 8真空传感器真空传感器 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 作作“波纹管加差动变压器式波纹管加差动变压器式”传感器。这种传感器可用于电传感器。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

14、的压力据进气歧管的压力(负压负压)确定基本喷油量的。这一压力就是确定基本喷油量的。这一压力就是 靠压力传感器检测出来的靠压力传感器检测出来的 真空传感器的结构如真空传感器的结构如图图4-10所示，它包括有所示，它包括有:中间为真空的中间为真空的 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。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汽车用压力传感器种类与

15、用途 4. 2. 9增压传感器增压传感器 在日产的在日产的vQ30DET等发动机上，采用增压压力传感器，传等发动机上，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。的增压压力，以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。 VQ30DET的燃油喷射系统如的燃油喷射系统如图图4-11所示，在怠速、使用所示，在怠速、使用 普通汽油、水温超过普通汽油、水温超过115、水温传感器系统异常时，电流、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不通过增压

16、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，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。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汽车用压力传感器种类与用途 4. 2. 10

17、主油缸压力传感器主油缸压力传感器 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。其结构如出压力。其结构如图图4-12所示，这也是利用膜片上应力片所示，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。的电信号并传输出去。

18、 上一页 下一页返回 4.2 汽车用压力传感器种类与用途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蓄压器用压力传感器 如如图图4-13所示，蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的所示，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。力传感器相同。 上一页 返回 4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器 4. 3. 1传感器的结构传感器的结构 压力传感器的结构如压力传感器的结构如图图4一一14所示。它是由硅片、底座、硅所示。它是由硅片、底座、硅 杯及盖子等组成的

19、。硅片上形成有膜片，膜片上埋入了检测杯及盖子等组成的。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，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。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半导体进气压力传感器 4. 3. 2传感器的工作原理传感器

20、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，即原理是将压力变换成电信号，即: 压力加到膜片上时，膜片上产生应力压力加到膜片上时，膜片上产生应力; 随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化; 将一定的电压或电流输入到惠斯顿电桥的输入端时，电阻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。输出变化值。 上一页 下一页返回 4.3 半导体进气压

21、力传感器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本节介绍的压力传感器的额定值与特性如表表4-1所示。所示。 (1)压力额定值压力额定值 (2)输出电压特性输出电压特性 (3)精度与温度特性精度与温度特性 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半导体压力传感器用作进气压力传 感器感器 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。其典型结构如循

22、环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如图图 4一一15所示。作为汽车用进气压力检测装置，为了实现高精所示。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。电路与半导体压力传感器制成一个整体。 上一页返回 4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器 4. 4. 1 IC大气压传感器的构成大气压传感器的构成 (1)压力检测部分的构成。压力检测部分的构成。IC大气压传感器的压力检测部分，大气压传感器的压力检测部分， 在硅片的中间，从反面经

23、异向腐蚀形成了正方形的膜片，利在硅片的中间，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 成了四个成了四个P型测量电阻，它们按桥式电路连接。利用压阻效型测量电阻，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。方式对外输出。 下一页返回 4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气

24、压传感器 (2)电路的特性。压力传感器的主要特性有以下电路的特性。压力传感器的主要特性有以下4项项:灵敏灵敏 度度;偏置电压偏置电压(0Pa时的输出电压时的输出电压);灵敏度的温度特性灵敏度的温度特性; 偏置电压的温度特性。偏置电压的温度特性。 (3)传感器的结构。传感器的结构。IC大气压传感器的内部结构如大气压传感器的内部结构如图图4-16 所示。所示。 上一页 下一页返回 4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器 4. 4. 2制造工艺制造工艺 (1)芯片工艺芯片工艺 (2)元件加工艺元件加工艺 (3)性能的调整性能的调整 (4)性能检查性能检查 上一页 下一页返回 4

25、.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器 4. 4. 3规格与可靠性规格与可靠性 IC大气压传感器的规格见大气压传感器的规格见表表4一一2。电源电压为。电源电压为5V单一电源。单一电源。 压力灵敏度的设定值为压力灵敏度的设定值为39.49mV/kPa,101.3kPa(1个个 大气压大气压)时的输出电压为时的输出电压为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。真空腔，二是半导体管芯的表面受压。表表4-3是是IC大气压传大气压传 感器的几项可靠性试验项目。除此之外，还要进行

26、汽车特有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。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，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， 而流体的流量而流体的流量(体积流量体积流量)等于流管的截面积与流速之积，因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

27、体的流量。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

28、位移，可以采用应变测量法机械位移。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作测量电阻，利用半导体的压阻效应将机械应变转换成电

29、阻 的变化。的变化。 上一页 下一页返回 4.5 半导体微差压力传感器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个较大的问题。对此，微差压力传感器采取

30、的措施是:在涡旋在涡旋 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。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半导体微差压力传感器 4. 5. 2微差压力传感器的特点微差压力传感器的特点 压力检测范围为压力检测范围为1.33 x10-413.3kPa

31、，且动态范围很，且动态范围很 宽宽 耐压能力高，最高容许压力为耐压能力高，最高容许压力为66.6kPa。 因为是差压工作方式，所以对卡曼涡旋之外因素引起的压因为是差压工作方式，所以对卡曼涡旋之外因素引起的压 力变化力变化(同相成分同相成分)的灵敏度很低。的灵敏度很低。 采用氮化膜作半导体芯片的保护，并改进电极片的结构，采用氮化膜作半导体芯片的保护，并改进电极片的结构， 提高耐环境性能提高耐环境性能 把半导体芯片的壳体与涡旋发生柱作成一个整体件，以缩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。小体积。 上一页 下一页返回 4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器 4. 5

32、. 3半导体微差压力传感器的结构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半导体微差压力传感器是由涡旋发生柱(下盖下盖)、上盖、引线、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。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半导体微差压力传感器 4. 5. 4加工工艺加工工艺 (1)硅片工艺硅片工艺 (2)元件工艺元件工艺 (3)性能检查性能检查 上一页 下一页返回 4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器 4. 5. 5半导体微

33、差压力传感器的额定值及半导体微差压力传感器的额定值及 可靠性评价可靠性评价 半导体微差压力传感器的额定值见半导体微差压力传感器的额定值见表表4-4，其性能保证压力，其性能保证压力 范围非常宽，达到了范围非常宽，达到了1.33 x 10-413.3kPa。微差压力传。微差压力传 感器装于发动机舱内，所以其工作环境温度为感器装于发动机舱内，所以其工作环境温度为 -30110。 半导体微差压力传感器的可靠性试验项目见半导体微差压力传感器的可靠性试验项目见表表4-5。此外，。此外， 还要进行汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目均没还要进行汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目均没 有问题的话，说

34、明传感器性能良好。通过上述各项试验就可有问题的话，说明传感器性能良好。通过上述各项试验就可 以确认以确认:半导体微差压力传感器在发动机进气歧管这种苛刻的半导体微差压力传感器在发动机进气歧管这种苛刻的 条件下使用时，将具有足够的可靠性。条件下使用时，将具有足够的可靠性。 上一页 返回 4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器 4. 6. 1传感器的种类与特点传感器的种类与特点 对发动机进气量的测定，一般采用的方法是测定通过进气管对发动机进气量的测定，一般采用的方法是测定通过进气管 的空气量，市场上销售的采用电子燃油控制的汽车几乎都采的空气量，市场上销售的采用电子燃油控制的汽车

35、几乎都采 用这种方法，作为检测通过进气管的空气量的方法，可以分用这种方法，作为检测通过进气管的空气量的方法，可以分 为采用压力传感器的间接检测方式和利用空气流量计的直接为采用压力传感器的间接检测方式和利用空气流量计的直接 检测方式。每种方式各有长短，从装车性与价格上看，优秀检测方式。每种方式各有长短，从装车性与价格上看，优秀 的是压力传感器，从测试精度上看，优秀的是空气流量传感的是压力传感器，从测试精度上看，优秀的是空气流量传感 器。器。 下一页返回 4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器 4. 6. 2小型压力传感器小型压力传感器 (1)检测原理。压力检测部位的工作原理

36、是利用了半导体压检测原理。压力检测部位的工作原理是利用了半导体压 电电阻效应，在硅片表面的特定方向上，利用离子注入法等电电阻效应，在硅片表面的特定方向上，利用离子注入法等 形成四个应变片电阻，在其内部利用异向蚀刻法形成膜片部形成四个应变片电阻，在其内部利用异向蚀刻法形成膜片部 分。在硅片的膜片部分的表面和里面产生压力差的场合下，分。在硅片的膜片部分的表面和里面产生压力差的场合下， 硅片内所产生的压缩、拉伸张力，使膜片处的测量电阻的阻硅片内所产生的压缩、拉伸张力，使膜片处的测量电阻的阻 值发生变化。值发生变化。 上一页 下一页返回 4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器 (

37、2)检测元件部分检测元件部分.形成有膜片的硅片在减少封装产生的热应形成有膜片的硅片在减少封装产生的热应 力的玻璃底座上形成阳极，同时由于在膜片内部空间形成了力的玻璃底座上形成阳极，同时由于在膜片内部空间形成了 真空封装，同时也形成了基准压力腔，也就是说，过去要构真空封装，同时也形成了基准压力腔，也就是说，过去要构 成压力腔还需要金属封装，现在则可以取消金属封装，因此，成压力腔还需要金属封装，现在则可以取消金属封装，因此， 就可以减少部件的数量与实现小型化。此外，从结构上来看，就可以减少部件的数量与实现小型化。此外，从结构上来看， 因为被测压力是从与真空腔相反的一侧加上来的，因此与过因为被测压力

38、是从与真空腔相反的一侧加上来的，因此与过 去不同，在传感器元件的表面需要经涂敷与胶凝形成表面的去不同，在传感器元件的表面需要经涂敷与胶凝形成表面的 保护层，以便确保和原来具有同等水平的耐环境性。利用钻保护层，以便确保和原来具有同等水平的耐环境性。利用钻 结法将底座钻结到注塑成型的传感器模块上。结法将底座钻结到注塑成型的传感器模块上。 (3)电路的构成电路的构成. 上一页 下一页返回 4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器 4. 6. 3特点特点 (1)小型化小型化 (2)无焊锡结构无焊锡结构 (3)耐污损特性与防堵塞性耐污损特性与防堵塞性 上一页返回 4.7 利用微控制器

39、技术的高压传感利用微控制器技术的高压传感 器器 4. 7. 1高压传感器的特点高压传感器的特点 (1)采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上。采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上。 (2)采用受压面积最小的封装结构。采用受压面积最小的封装结构。 (3)最大限度利用上述最大限度利用上述(1)、(2)两点制成体积最小的产品。两点制成体积最小的产品。 (4)通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压性能。通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压性能。 (5)传感器的使用场合传感器的使用场合:相对压力或测量压力最大为相对压力或测量压力最大为5MPa. 下一页返回 4.7 利用微控制器技术的高压

40、传感利用微控制器技术的高压传感 器器 4. 7. 2高压传感器的构成高压传感器的构成 对于制造高压传感器来说，一般都是把批量生产低压传感器对于制造高压传感器来说，一般都是把批量生产低压传感器 (100400kPa)的技术，加以总结提高，再应用到高压传的技术，加以总结提高，再应用到高压传 感器的生产上。高压传感器的信号处理器是由高精度放大器感器的生产上。高压传感器的信号处理器是由高精度放大器 和调整电路构成的，高精度放大器的作用是放大惠斯顿电桥和调整电路构成的，高精度放大器的作用是放大惠斯顿电桥 输出的电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性。此输出的电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性

41、。此 外，对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产外，对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产 工序内产生的静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在工序内产生的静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在 CMOS内所形成的内部电路加以保护，相关的保护元件都设内所形成的内部电路加以保护，相关的保护元件都设 置在微控制器内置在微控制器内. 上一页 下一页返回 4.7 利用微控制器技术的高压传感利用微控制器技术的高压传感 器器 为了测定相对压力或者相对大气压下的应变片压力，在硅片为了测定相对压力或者相对大气压下的应变片压力，在硅片 的内面设置了通孔，并将下部金属底板与为缓和下部接合层的内面设置

42、了通孔，并将下部金属底板与为缓和下部接合层 产生的应力而设置的底座玻璃利用静电接合工艺接合在一起，产生的应力而设置的底座玻璃利用静电接合工艺接合在一起， 以确保具有高可靠性的密封性。以确保具有高可靠性的密封性。 为了确保高压检测组件与金属底板在高温下的强度，采用了为了确保高压检测组件与金属底板在高温下的强度，采用了 接合式结构。即使在用于汽车的严酷环境下，也可以确保传接合式结构。即使在用于汽车的严酷环境下，也可以确保传 感器的高可靠性。感器的高可靠性。 上一页 下一页返回 4.7 利用微控制器技术的高压传感利用微控制器技术的高压传感 器器 4. 7. 3耐压设计与评价结果耐压设计与评价结果 (

43、1)耐压设计。高压传感器受力的示意图如耐压设计。高压传感器受力的示意图如图图4-17所示。图所示。图 中表示出了在加有压力的场合下，外加压力的受压面积和与中表示出了在加有压力的场合下，外加压力的受压面积和与 此相应的反力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器此相应的反力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器 的一侧。的一侧。 高压传感器采用的是抵消固定部分产生的反力的方式来安装高压传感器采用的是抵消固定部分产生的反力的方式来安装 的，因此，外加压力与固定载荷之间的关系可按下述的方法的，因此，外加压力与固定载荷之间的关系可按下述的方法 来表明。来表明。 1)外加压力与固定载荷外加压力与固定载

44、荷 2)对外加应力的结构设计对外加应力的结构设计 上一页 下一页返回 4.7 利用微控制器技术的高压传感利用微控制器技术的高压传感 器器 (2)极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的 试验结果如试验结果如图图4一一18所示。所示。 (3)压力与出力特性。压力与出力特性。 (4)可靠性试验可靠性试验:高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击 试验、压力循环试验、过电压试验、试验、压力循环试验、过电压试验、EMI试验。试验。 (5)基本规格。本节介绍的高压传感器的基本规格见基本规格。本节介绍的高压传感器的

45、基本规格见表表4一一6 上一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 柴油发动机的共轨方式就是将高压油泵所产生的高压燃油储柴油发动机的共轨方式就是将高压油泵所产生的高压燃油储 存在公共油轨中存在公共油轨中(储压室内储压室内)，再对喷油器内的电磁阀控制的，再对喷油器内的电磁阀控制的 喷油嘴的背压进行控制，实现最佳喷射的电子控制式燃油喷喷油嘴的背压进行控制，实现最佳喷射的电子控制式燃油喷 射系统射系统 共轨系统的构成如共轨系统的构成如图图4一一19所示。所示。 下一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 共轨系统内的燃油压力是利用电磁阀控制高压泵的燃油喷射

46、共轨系统内的燃油压力是利用电磁阀控制高压泵的燃油喷射 量，利用压缩机进行加压来调整的，其燃油压力是通过设置量，利用压缩机进行加压来调整的，其燃油压力是通过设置 在共轨上的压力传感器在共轨上的压力传感器(共轨压传感器共轨压传感器)检测，利用高压泵油检测，利用高压泵油 泵上的电磁阀，按发动机的转速和负荷所设定的最佳值进行泵上的电磁阀，按发动机的转速和负荷所设定的最佳值进行 反馈控制。反馈控制。 上一页 下一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 以前所采用的高压传感器为密封式结构，密封膜片上受压，以前所采用的高压传感器为密封式结构，密封膜片上受压， 以封入的机油作为压力媒体，

47、在单晶硅压力传感器元件上实以封入的机油作为压力媒体，在单晶硅压力传感器元件上实 施压力一电气变换施压力一电气变换 为了达到更低的排放，应实现采用共轨压力传感器系统整体为了达到更低的排放，应实现采用共轨压力传感器系统整体 的高压力化和高精度化，因此就要求传感器能够承受的高压力化和高精度化，因此就要求传感器能够承受 160MPa的高耐压并具有的高耐压并具有11%的高精度。传统结构的高压的高精度。传统结构的高压 传感器从耐压与精度两个方面都难以达到上述要求，因此厂传感器从耐压与精度两个方面都难以达到上述要求，因此厂 家开始着手设计全新结构的超高压传感器。下面就对满足上家开始着手设计全新结构的超高压传

48、感器。下面就对满足上 述要求的新结构的超高压传感器加以介绍。述要求的新结构的超高压传感器加以介绍。 上一页 下一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 4. 8. 1高耐压设计高耐压设计 新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如图图4一一20所示。所示。 在外壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它在外壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它 所采用的是金属接触式密封结构，作为检测部位变形的传递所采用的是金属接触式密封结构，作为检测部位变形的传递 部分，在金属轴杆上设有较薄的膜片，由此接受燃油的高压，部分，在金属轴杆上设

49、有较薄的膜片，由此接受燃油的高压， 压力在膜片部位所产生的应力，经钻结在其上的单晶硅压电压力在膜片部位所产生的应力，经钻结在其上的单晶硅压电 电阻元件实施电气变换。从结构上看，对传感器性能影响最电阻元件实施电气变换。从结构上看，对传感器性能影响最 大的部件是形成检测部位的硅传感器芯片及金属膜片。大的部件是形成检测部位的硅传感器芯片及金属膜片。 设计出金属轴杆的最佳形状。设计出金属轴杆的最佳形状。 要根据金属膜片上要根据金属膜片上Si的压电电阻元件所需要的应力来设计膜的压电电阻元件所需要的应力来设计膜 片的形状。片的形状。 上一页 下一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器

50、 4. 8. 2高精度设计高精度设计 金属轴杆上钻结的硅单晶压电电阻元件的应变系数是薄膜硅金属轴杆上钻结的硅单晶压电电阻元件的应变系数是薄膜硅 多晶压电电阻元件的多晶压电电阻元件的310倍，灵敏度可以达到倍，灵敏度可以达到310倍，倍， 这很有利于传感器特性的高精度化。本节所述的超高压传感这很有利于传感器特性的高精度化。本节所述的超高压传感 器为了精度在一器为了精度在一30120的工作温度范围内达到的工作温度范围内达到 1%F.S*，所以采用了下述的元件结构和设计方法，所以采用了下述的元件结构和设计方法 采用采用(100)的单晶的单晶Si底板底板 采用最佳的测量配置设计采用最佳的测量配置设计

51、(1)压力传感器的输出误差成分。压力传感器的输出误差成分。 (2)Si基板的面方位基板的面方位 (3)最佳测量电阻的布置最佳测量电阻的布置 上一页 下一页返回 4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器 4. 8. 3结论结论 以上对满足以上对满足160MPa的高耐压与的高耐压与1%精度要求的共轨系统精度要求的共轨系统 用超高压传感器的结构与工作原理作了说明。总结起来有如用超高压传感器的结构与工作原理作了说明。总结起来有如 下四点。下四点。 (1)关于耐高压的问题，关于耐高压的问题， (2)关于高精度的问题，关于高精度的问题， (3)采用采用(100)的单晶硅基板，通过测量电阻的最佳

52、布置，的单晶硅基板，通过测量电阻的最佳布置， 从而使压力的非线性成分大致为零。从而使压力的非线性成分大致为零。 (4)所介绍的共轨系统用压力传感器的压力精度可达到所介绍的共轨系统用压力传感器的压力精度可达到 1%，这种传感器可以满足达，这种传感器可以满足达160MPa的压力循环耐久性的压力循环耐久性 试验。试验。 上一页返回 4.9 采用压粉铁芯的电动助力转向采用压粉铁芯的电动助力转向 用非接触式扭矩传感器用非接触式扭矩传感器 4. 9. 1概述概述 (1)EPS系统的结构。系统的结构。EPS系统的结构如系统的结构如图图4-21所示，其所示，其 是由扭矩传感器、车速信号传感器控制组件、电动机以

53、及减是由扭矩传感器、车速信号传感器控制组件、电动机以及减 速器构成的。速器构成的。 转向盘的操纵力由扭矩传感器检测出来，此扭矩信号输入到转向盘的操纵力由扭矩传感器检测出来，此扭矩信号输入到 控制组件中，根据扭矩信号和车速信号，控制电动机的电流，控制组件中，根据扭矩信号和车速信号，控制电动机的电流， 实现转向盘操纵的助力。实现转向盘操纵的助力。 (2)扭矩传感器的工作原理。非接触式扭矩传感器的结构如扭矩传感器的工作原理。非接触式扭矩传感器的结构如 图图4-22所示，扭矩传感器是由连接输入轴和输出轴的扭杆、所示，扭矩传感器是由连接输入轴和输出轴的扭杆、 检测环及线圈组成的。检测环及线圈组成的。 下

54、一页返回 4.9 采用压粉铁芯的电动助力转向采用压粉铁芯的电动助力转向 用非接触式扭矩传感器用非接触式扭矩传感器 4. 9. 2关于压粉铁芯关于压粉铁芯(复合软磁性材料复合软磁性材料) (1)开发目的开发目的 (2)复合软磁性材料的特点复合软磁性材料的特点 (3)复合软磁性材料的选择复合软磁性材料的选择 (4)与传统部件的比较与传统部件的比较 (5)压粉铁芯线圈总成在壳体上的装配压粉铁芯线圈总成在壳体上的装配 (6)汇总汇总 上一页 返回 4.10 接触式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 4.10.1前言前言 在对车辆操纵时的舒适性与安全性的要求不断提高的背景下，在对车辆操纵时的舒

55、适性与安全性的要求不断提高的背景下， 停车、低速、高速行车时，无论在任何时候都可以调整转向停车、低速、高速行车时，无论在任何时候都可以调整转向 助力的动力转向系统，已经成为必不可少的系统。传统的动助力的动力转向系统，已经成为必不可少的系统。传统的动 力转向系统的控制方式为油压式，因为必须时时驱动油泵，力转向系统的控制方式为油压式，因为必须时时驱动油泵， 所以总要产生所以总要产生4一一5马力马力*左右的能量损耗。从油耗的角度来左右的能量损耗。从油耗的角度来 看，大约形成看，大约形成3%的损耗，而电动式动力转向系统的损耗，而电动式动力转向系统(EPS)仅仅 在操纵转向系统时才驱动助力电动机，所以能

56、量的损失比较在操纵转向系统时才驱动助力电动机，所以能量的损失比较 小，而且结构简单，还可以节省占地。小，而且结构简单，还可以节省占地。 下一页返回 4.10 接触式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 由于这一系列的优点，今后对电动式动力转向系统的需求将由于这一系列的优点，今后对电动式动力转向系统的需求将 会不断地增大。在会不断地增大。在EPS上，操纵转向装置时，检测出加在旋上，操纵转向装置时，检测出加在旋 转轴的扭杆部位的旋转扭矩与转向装置的旋转角度，由电子转轴的扭杆部位的旋转扭矩与转向装置的旋转角度，由电子 控制器控制器(ECU)控制助力电动机的扭矩输出，就需要决定其控控制助力电动

57、机的扭矩输出，就需要决定其控 制量的扭矩与转向角度信号的传感器。就是在这种背景下，制量的扭矩与转向角度信号的传感器。就是在这种背景下， 才进一步开发与设计了转向角度才进一步开发与设计了转向角度/扭矩传感器。扭矩传感器。 上一页 下一页返回 4.10 接触式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 4.10. 2转向角度转向角度/扭矩传感器的技术规格扭矩传感器的技术规格 本文所述传感器的扭矩本文所述传感器的扭矩/转向角度的检测部位的结构如转向角度的检测部位的结构如图图4一一 23、图图4一一24所示所示. 本传感器上，转向柱一侧的转子与电阻元件的底板制成一个本传感器上，转向柱一侧的转子与电阻

58、元件的底板制成一个 整体件，旋转工作的电阻元件底板的一侧是扭矩的检测面，整体件，旋转工作的电阻元件底板的一侧是扭矩的检测面， 另一侧上印刷有转向角度的检测图形。扭矩检测面与设置在另一侧上印刷有转向角度的检测图形。扭矩检测面与设置在 转向管侧的转子配用的电刷保持接触与滑动，转向角度的侧转向管侧的转子配用的电刷保持接触与滑动，转向角度的侧 面与设置在传感器壳体侧的输出底板上的电刷保持接触和滑面与设置在传感器壳体侧的输出底板上的电刷保持接触和滑 动，在运转过程中扭杆的扭转以及转向装置转动时，利用电动，在运转过程中扭杆的扭转以及转向装置转动时，利用电 刷在底板上的触点位置的变化引起的电阻的变化，根据技

59、术刷在底板上的触点位置的变化引起的电阻的变化，根据技术 条件输出扭矩与转向角度信号，由此可以看出这种传感器不条件输出扭矩与转向角度信号，由此可以看出这种传感器不 可缺少的功能有可缺少的功能有3项。项。 上一页 下一页返回 4.10 接触式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 (1)车令向操纵性车令向操纵性:在运转过程中，应当赋予转向器以舒适的在运转过程中，应当赋予转向器以舒适的 操纵感，并供给其响应性好、高精度的信号。操纵感，并供给其响应性好、高精度的信号。 (2)耐久性耐久性:在行驶数十万千米之后，仍稳定地供给无干扰的在行驶数十万千米之后，仍稳定地供给无干扰的 输出信号输出信号 (3

60、)静音性能静音性能:传感器产生的机械噪声非常小。下面就对这种传感器产生的机械噪声非常小。下面就对这种 传感器的操纵性能与静音性能的开发与改善的内容加以说明传感器的操纵性能与静音性能的开发与改善的内容加以说明. 上一页 下一页返回 4.10 接触式转向角度接触式转向角度/扭矩传感器扭矩传感器 4. 10. 3根据技术条件所采取的措施及结果根据技术条件所采取的措施及结果 (1)操纵性操纵性 操纵性的目标操纵性的目标 提高信号响应性的措施提高信号响应性的措施 车令向管一侧转子车令向管一侧转子(联轴节联轴节)的设计的设计 (2)静音性静音性 关于静音的设计关于静音的设计 为减轻滑动噪声的电刷的设计为减