汽车发动机进气量检测系统设计

1、汽车发动机进气量检测系统设计组员：魏丽丹（组长）、余舟、黄静、申川一、研究背景内燃机进气空气流量是一个非常重要的测量参数，因为汽油机空燃比的调节的方式是采用调整与进气量相匹配的喷油量，所以现在电控汽油机喷射系统能否准确的测量发动机的进气量，从而正确的将空燃比控制在所要求的范围内，决定了发动机的动力性、经济性和尾气排放等性能指标。空气质量流量传感器是当前汽车发动机电子控制燃油喷射系统中最关键的部件之一，是对发动机的空气进气量的准确测量的器件。在车用空气流传感器中，由于热式流量传感器具有无机械传动，无需对空气密度和压力进行补偿，响应速度快，测试灵敏度高，工作可靠性高等优点。因此，热式空气流量传感器

2、发展非常迅速，且在汽车领域开始得到广泛的应用。二、方案选择热式空气流量计主要有热线式空气流量计和热膜式空气流量计两种。（1）热线式空气流量计：在发动机进气量直接检测法中，由于热线式空气流量传感器的输出直接反映了空气质量流量的大小，无需进行空气密度补偿，无运动部件，不但工作可靠，而且响应快，缺点是在流速分布不均时误差较大。而且热线式空气流量计由于铂丝线细（约为70m），进气通道中气流变化大，因而铂丝易断，现在汽车上应用较少。（2）热膜式空气流量计：虽然热膜式空气流量计的工作原理和热线式空气流量计类似，但由于热膜式传感器不使用白金线作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻等用厚膜工艺制作，在同一陶瓷基片

3、上，使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，从而增加了发热体的强度，不但使空气流量计的可靠性进一步提高，也使误差减小，性能更好。由以上对比可知选择热膜式空气流量计更合适。三、热膜式空气流量计工作原理1.热膜式空气流量计的结构1一机体 2一传感单元 3一驱动电路 4一传感头 5一空气通道图-1 热膜式空气流量计结构如图-1所示是热膜式空气质量流量传感器的结构示意图，其主要组成有：机体、设置在机体内的空气通道及安装在空气通道中的空气流量传感器的传感单元和空气流量传感器的驱动电路，空气流量传感器的传感单元通过螺钉连接在机体上，包括有安置于空气通道内的传感头，传感头电信号连接驱动电路板以及固定传感头

4、及其电路板的支撑架。热线式空气流量计安装位置：空气滤清器和节气门体之间。2.热膜式空气流量计的基本原理热膜式空气流量传感器属于量热式传感器，其原理是对传感器的传感单元进行加热，由于测量流体的流动导致传感单元上的热量会被气流带走，通过测量传感单元的热损耗来反映气体的质量流量。 图-2 惠更斯电桥原理上图为热膜式空气流量计的基本原理图。设电源U负极接地端电位为0，a点的电位即为电阻R2两端的电压，b点电位即为电阻R4两端的电压，由欧姆定律得：如果有Ua=Ub,可得R1×R4=R2×R3当有气流吹过，R1热量被带走，R1温度下降，设计时R1采用正温度系数电阻(PrC)，所以R1电

5、阻值下降，由式(3)可知此时电桥平衡破坏，要使电桥恢复平衡，需要加大电流，提高R1的温度，使R1阻值上升，以达到新的平衡。此时电流作用在与R1同一支路的R2上，电流增大引起R2两端的电压升高，即Ua也升高。R2两端的电压为Ua热式空气计的输出信号。由上述分析可知，当空气流量变化引起电桥平衡破坏时，电桥要重新平衡，需要调整电流，控制R1的温度以达到新的平衡。3. 热膜式空气流量计与ECU的连接图-3 热线式空气流量计与ECU的连接图3所示为热膜式空气流量计与ECU的连接。流量计的电子控制线路板包括电桥平衡电路、烧净电路和怠速混合气调节电位器,电子控制的大部分元件都配置在一块集成电路板上,其上一般

6、设置六脚插头与ECU相连接,用以传递信息。图-4 空气流量计的输出特性图4所示为空气流量计的输出特性,而且E=C4Q,式中C为与流量计结构、热线材料等有关的常数,Q为空气的质量流量(kg/h),E为桥顶电压(V)。当Q<10kg/h时,热线的灵敏度很高;在空气流量增大时,热线的灵敏度降低。四、检测参数精度汽油发动机所吸进空气流量的最大值与最小值之比max/min在自然进气系统中为4050，在此范围内的，空气流量传感器应能保持±23%的测量精度，电子控制燃油喷射装置上所用的空气流量传感器在很宽的测定范围上不仅应能保持测量精度，而且测量响应性也要优秀，可测量脉动的空气流，输出信号的

7、处理应简单。当规定发动机所吸进的空气、混合气的空燃比（A/F）的控制精度为±1.0时，系统的允许误差为±6%7%，将此允许误差分配至系统的各构成部件上时，空气流量传感器所允许的误差为±2%3%。（9）参考文献（1）董辉主编 汽车用传感器（第2版） 北京理工大学出版社 2009-02-01（2）姜立标主编 汽车传感器及其应用 电子工业出版社 2010-09-01（3）金越川.汽车空气流量传感器的研究.武汉理工大学，2011年5月.（4）李伟主编 新型汽车传感器、执行器原理与故障检测 机械工业出版社 2013-03-01（5）吴荣辉编著.电喷发动机控制系统.福建科学技

8、术出版社,2002年01月第1版.（6）宋年秀，刘超主编 汽车传感器原理与检测200问 中国电力出版社 2009-05-01(7) 李贵德 汽车维修技师，2005（8）（8）肖启瑞 计量技术，2012（6）（9）第3章热膜式空气质量流量传感器的设计31热膜式空气质量流量传感器传感头设计由上一章对热膜式空气质量流量传感器的理论分析我们对其工作原理有所了解，而且不难看出整个热膜式传感器的核心部件就是传感器的传感头，因此，本文重点对热膜式传感器的传感头进行设计。311热膜式空气质量流量传感器传感头电阻布局设计如图31所示是热膜式传感器传感头的结构设计图，本设计涉及的空气质量流量传感器采用了一种基于M

9、EMS工艺的硅基薄膜敏感结构。MEMS由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成，具有尺寸小、重量轻、成本低、抗振动冲击能力强、可靠性高以及易批量生产等一系列的优点。通过MEMS版图设计的传感器传感头由环境温度电阻1、加热电阻2、加热电阻的温度检测电阻3、加热电阻上下游的温度测试电阻4、绝缘层薄膜5和硅基片6组成。硅基片5是采用单晶硅材料，双抛单晶硅后在其上生成一层绝缘层薄膜4。然后通过溅射PtTi金属薄膜层，再光刻并腐蚀形成薄膜电阻。在传感头的中间区域，通过RIE刻蚀工艺形成了隔热空腔7，这样使绝缘层薄膜4只能通过横向传导才能将热量传送到硅基片6，而绝缘层薄膜5的厚度仅几个微米，故具有很大的热

10、阻。图3-1热膜式传感器传感头的结构设计图1一环境温度电阻；2一加热电阻；3-加热电阻的温度检测电阻；4一加热电阻上下游的温度测试电阻；卜绝缘层薄膜；6一硅基片；7一隔热空腔。如图32所示，其为本设计中涉及的加热电阻2和加热电阻的温度检测电阻3的结构示意图。加热电阻和加热电阻的温度检测电阻的电阻丝采用如图中所示的蛇形结构交叉布置，加热电阻的温度检测电阻紧贴在加热电阻周围，这样的设计可以很好地保证二者的温度敏感系数一致，从而提高了传感器的测量精度。图3-2力【1热电阻和加热电阻的温度检测电阻的结构示意图312热膜式空气质量流量传感器传感头材料的选择热膜式空气质量流量传感器传感头材料的选择主要是指

11、薄膜材料和基底材料这两个方面的选择。传感器薄膜材料的选择包括：热膜电阻、绝缘层、保护膜等。薄膜的性能不但对传感器的稳定性和使用寿命等有一定的影响，还对其测量精度有着重要的影响。因此，热膜式空气质量流量传感器传感头材料的选择对传感器的性能有着至关重要的作用。3122传感器薄膜材料的选择(1)热膜电阻的选择根据现代汽车传感器的发展趋势及其要求，不光要求尺寸小，而且要求功能多、精度高。现代制造技术中的肛MS工艺可以使传感器在突破了尺寸上的技术，典型的尺寸为微(纳)米级。在这方面，硅可以制造出尺寸非常小的、机械性能强，同时具有特殊性能微结构，几乎是生产传感器的理想物质乜刀。热膜式空气质量流量传感器的热

12、膜电阻要求其电阻的温度系数的线性度特别好，以及具有较高的稳定性和重现性极佳的热电性能等等位钔。而铂(Pt)测温电阻的电阻温度系数分散性小，其精度高、线性好、灵敏度也比较高，稳定性和耐高压性也较好。因此，对于热膜式空气质量流量传感器，铂是一种极好的选择，并可被大量使用，例如由世界知名公司BOSCH生产的热膜式空气质量流传感器就是采用铂电阻。另外，与其他薄膜金属相比，如金或镍，由于铂有较低的热膨胀系数，因此，就会使薄膜由于热膨胀而引起的应力问题趋向于最小化，提高了传感器的使用寿命。但是铂是一种贵金属，其价格非常贵的，这样无形中就提高了传感器的成本。综上所述，铂(Pt)具有一系列的优点，天生就十分的

13、使用与传感器，因此选择铂(Pt)作为热膜式空气质量流量传感器的电阻。(2)绝缘层的选择由于薄膜材料与基底材料之间的热膨胀系数相差较大，因而当传感器工作时，热膜产生高温会使薄膜内产生较大的内应力，在大的内应力影响下，传感器的电热性能会变差，最终可能是导致传感器性能下降更有甚者是不能工作。因此，为了避免上述问题的出现，常常在薄膜和基底中间增加一层过渡薄膜来去除或减小其内应力，这层过渡薄膜的韧性较好且热膨胀系数介于基底和薄膜之间。另外，当采用的基底绝缘性能不好，其过渡薄膜还应该具有足够的介电强度，从而起到绝缘层的作用。经过对比，二氧化硅(Si02)这种薄膜对半导体表面具有较好的保护和钝化作用，而且其

14、绝缘性能好。因此，可确定以二氧化硅(Si02)膜作为绝缘层。(3)保护膜的选择武汉理工大学硕士学位论文由于发动机进气空气中含有大量的颗粒污染物，电阻容易受到污染物的影响，使得传感器的性能大大下降，为了接着这个问题，通常需要在薄膜外表面上制作一层非常薄的保护膜，阻止污染物与热膜电阻接触，从而提高传感器的工作可靠性。在本次设计中，由于三氧化二铝(A1。03)膜的抗离子污染能力强，机械强度高，抗辐射性能和化学稳定性好，且与金属薄膜的附着性好嘲。上述的一系列优点表面Al：O。十分适合作为薄膜材料的保护膜，因此，本论文中选择三氧化二铝(A120。)作为热膜式传感器薄膜的保护膜。3123传感器基底材料的选

15、择传感器的基底主要起到两方面的作用：一方面是金属薄膜各种材料沉淀的基础；另一方面还是传感器金属薄膜上电阻电信号引出线的绝缘支承体。另外，基底材料的化学、物理性质以及表面粗糙度等对传感单元的电性能和传热性能都有很大的影响，这些因素都会对传感器的精度、可靠性等产生影响。因此必须合理正确地选择传感器的基底。通常由于人们接触很薄且较大的硅片会认为硅片易脆裂，其实这只是人们的主观认识。对微机械而言，由硅制作的杆、梁或等版图结构都有很好的弹性且无塑性变形。硅材料质轻，密度小，其密度仅为为不锈钢的三分之一，而弯曲度却为不锈钢的三倍多，所以它具有极高的刚度密度比和强度密度；与同样形状和尺寸的金属微结构相比由硅

16、制作的微结构的机械强度和可靠性可能更为优异，试验证明硅不仅具有足够的机械强度，而且硅还具有优良的电性能和良好的机电合一特性，便于实现机电器件的集成化和多功能化；硅还具有其他多种优异的传感特性，如霍尔效应、压阻效应等，因此也是许多效应敏感的传感器的首选材料之一；硅的加工精度比较高，容易生成绝缘薄膜，提高器件的精确度；硅储备量充足，占到地壳成分的25，是地球上第二丰富元素，十分适用于大量的生产；另外现如今随着硅的加工工艺日渐成熟，微电子加工技术与硅基微加工技术易丁兼容集成为一个系统，所以硅基微机械业已成为脏MS加工技术的主要发展趋势啪1。由于单晶硅具有上述一系列的优点，而且这些优点恰恰是热膜式流量

17、传感器想要达到的，因此，选择单晶硅作为传感器的基底材料。313传感器芯片加工工艺的介绍3131 MEMS简介如图3-4所示是传感器工作在恒温模式下，其电路部分分为恒温控制电路和信号输出电路，恒温控制电路采用微机直接控制加热电阻上的电流，对加热电阻随时进行加热，达到随时控制其温度的目的。控制电路的四个桥臂电阻分别是加热电阻检测电阻Ra、环境温度检测电阻Rk和两个固定电阻R组成。当进气道内有气体流过时，温度平衡被打破，电桥发生变化的电信号被传送到微机中，ECU控制加热电阻的电流，维持电路中的恒温差，使电桥恢复平衡状态。信号输出电路也是有一个惠斯通电桥组成，控制电路的四个桥臂电阻分别是加热电阻上下游

18、温度测试电阻Rsl、Rs2和2个固定电阻组成。根据惠斯通电路原理，输出电压为：对于加热电阻Rh的电阻值与温度t成正比，Rk=R·(1+口·r)，当进气道有气流时，加热电阻的温度下降，电阻值随之下降，因此我们可以得到温度测试电阻Rsl、Rs2的与加热电阻的温度关系。将式(3一1)和(32)联合起来我们就可以得到输出电压U和加热电阻温度差之间的关系式：当气流静止时，加热电阻Rh的加热热量通过基底导热传至加热电阻上下游温度测试电阻Rsl和Rs2，此时，加热电阻主要是与空气自然对流换热，由于上下游温度测试电阻Rsl和Rs2对称分布，传感器输出信号为零。当进气气流流速度不为零时，气流

19、与加热电阻的传热以强迫对流的形式为主，处于加热电阻上端的温度测试电阻Rsl温度下降，而处于加热电阻下游的温度测试电阻Rs2的温度上升，造成上下游电阻产生一个温度差，上下游温度测试电阻的阻值不在相等，而是Rs2>Rsl。由上述分析可导出迸气空气质量流量与输出电压之间的关系式：上式中的k1和k2都是常数，kl是一个与传感器传感单元结构、热膜电阻排列结构、测量通道有效截面积、电桥电压和空气物性参数等有关的常数。发动机进气管中的单位时间内的流量与发动机的排量有关，还与发动机工作时的转速有关，转速越高进气量越大。对于大多数发动机而言，其空气质量流量量程一般为222102789s4引。发动机的进气管

20、道的特征尺寸一般如下：外径o。=70mm，内径。=60mm。将该质量量程转换成进气管流道中的平均速度量程大概为为065-30ms“引。根据发动机进气空气质量流量量程和进气管道的特征尺寸，对其工作情况下空气流动状态进行分析得到相关的雷诺数：由上式可得Re远远2300，我们知道当雷诺数大于2300了气体的流动可能会出现湍流状态，因此，发动机进气管中的空气流动呈现湍流状态。但对于大多数热膜式空气流量传感器来说，其流速测试范围一般不会超过5ms，武汉理工大学硕士学位论文一般情况下发动机进气管内平均流速都远大于这个值。另外，热膜式流量传感器工作原理是热传导，主要通过惠斯通电桥平衡状态下热膜温度分布情况来

21、反映进气流量，但在若是在湍流状态下进行测量热量分布稳定性很差，平衡温度分布也会发生跳跃性，可能对测试结果造成很大的误差汹1。因此，进气空气流量传感器应在层流状态下测量进气空气质量。在既满足热膜式空气流量传感器的测试条件，同时又要达到发动机进气流量的测试要求的情况下，本论文中在发动机进气管中设计取样流道，通过测试取样流道中的气体流速，间接测量发动机进气管的空气质量。由上文可知需要对传感器采用对进气管道取样流道设计，但是分流对流动场有很大的影响。这可以通过传感器结构的尖角和棱边来减少分流对流动场的影响(如图36所示)。同时，因为在某种时候分流的大区域会变得不稳定，因此也必须被避免。纵向流可以减少分流区域，因此要想得到小区域分流可以通过产生纵向流来实现，纵向流可以通过在传感器的边缘设置棱边或尖角结构来产生，具体的几何设计规则如下： (1)在传感器的上流区域，为了减少进气空气的阻力，需要采用平滑的圆角形形状。(2)在传感器的下流区域，为了尽快将取样流道中的空气传导出去，需要采用尖角或尖边来减少截面面积。传感器的传感单元的设计结构图如图3-6所示。传感器芯片、电路板、取样气道和连接元件都集成在这个插入模型中。传感单元通过两个螺栓连接在空气流量传感器的管道中。在流量传感器的封装中主要考虑传感器芯片的安装问题。芯