第五章压力传感器

1、哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校主讲：苗延升主讲：苗延升哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.3 半导体进气压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上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院

2、及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一1 进气压力传感器的额定值与特性进气压力传感器的额定值与特性返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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感器半导体压力传感器用作进气压力传感器 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。其典型结构如图循环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如图4一一15所示。作为汽车用进气压力检测

3、装置，为了实现高精度所示。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电检测，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。路与半导体压力传感器制成一个整体。上一页上一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

4、经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。下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属

5、黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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 (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;偏偏置电压的温度特性。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图大气压传感器的内部结构如图4-16所示。所示。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.4 集成电路型集成电

6、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上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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. 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个大气压个大

7、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大气压传感大气压传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。环境试验及装车试验。上一页上一页 返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一2 IC大气压传感器的规格大气压传感器的规格返回返回哈工大科技园应用技术学院

8、哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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。下一页下

9、一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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，

10、膜片出现机械位移。要想测量膜片的机械位移，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个测个测量电阻，并将它们做桥式连接，将压力的变化转换成桥式电量电阻，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路输出电压的变化，采用杂质扩散法形成的P型扩散电阻作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的测量电阻，利用半导体

11、的压阻效应将机械应变转换成电阻的变化。变化。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

12、，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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用

13、技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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，且动态范围很宽，且动态范围很宽 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

14、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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4. 5. 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、引线框、上盖、引线框、半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯与引线

15、框的键合材料组成的。与引线框的键合材料组成的。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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半导体微差压力传感器的额定值及可靠半导体微差压力传感器的额定值及可靠性评价性评价

16、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，其性能保证压力范，其性能保证压力范围非常宽，达到了围非常宽，达到了1.33 x 10-413.3kPa。微差压力传感器装。微差压力传感器装于发动机舱内，所以其工作环境温度为于发动机舱内，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，还。此外，还要进行汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目均没有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，说明传感器性能良好。通过上述各项试验就可以问题的话，说明传感器性能良好。通过上述各项

17、试验就可以确认确认:半导体微差压力传感器在发动机进气歧管这种苛刻的条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。件下使用时，将具有足够的可靠性。上一页上一页 返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

18、控制的汽车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。下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控

19、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是利用了半导体压电检测原理。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，利用离子注入法等形电阻效应，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分。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，硅片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值发内所产生的压缩、拉伸张力，使膜片处的测量电阻的阻值发生变化。生变

20、化。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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 (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力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真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，过去要构成空封装，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，压力腔还需要金属封装，现在则可以取消

21、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.上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术

22、学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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上一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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. 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

23、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.下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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. 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

24、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，再应用到高压传感器的技术，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和调的生产上。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输出整电路构成的，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。此外，的电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性。此外，对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产工序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

25、静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在内产生的静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在CMOS内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制器内.上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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 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了通孔，并将下部金属底板与为

26、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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.7 利用微控制器技术的高压传感器利用微控制器技

27、术的高压传感器4. 7. 3耐压设计与评价结果耐压设计与评价结果 (1)耐压设计。高压传感器受力的示意图如图耐压设计。高压传感器受力的示意图如图4-17所示。图中所示。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此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的相应的反力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器的一侧。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

28、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上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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 (2)极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的试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图验结果如图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、液层热冲击试高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击试

29、验、压力循环试验、过电压试验、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基本规格见表表4一一6 上一页上一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

30、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 共轨系统的构成如图共轨系统的构成如图4一一19所示。所示。下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

31、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。 上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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，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

32、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。传统结构的高压传的高精度。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，因此厂家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。下面就对满足上述开始着手设计全新结构的超高压传感器。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。要求的新结构的超高压传感器加以介绍。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术

33、学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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图新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如图4一一20所示。在所示。在外壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它所外壳一轴杆之间、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部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，分，在金属轴杆上设有较薄的膜片，由此接受燃油的高压，压力在膜片部位所产

34、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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.

35、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. 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，这很倍，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器为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，所以采用了下述的元件结构和设计方法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

36、的测量配置设计采用最佳的测量配置设计 (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上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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用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。总结起来有如下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。四点。 (1

37、)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布置，从而的单晶硅基板，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。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的压力循环耐久性试验。的压力循环耐久性试验。上一页上一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.9 采用压粉铁芯的电动助力转向用非

38、采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器接触式扭矩传感器4. 9. 1概述概述 (1)EPS系统的结构。系统的结构。EPS系统的结构如图系统的结构如图4-21所示，其是由所示，其是由扭矩传感器、车速信号传感器控制组件、电动机以及减速器扭矩传感器、车速信号传感器控制组件、电动机以及减速器构成的。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

39、触式扭矩传感器的结构如图扭矩传感器的工作原理。非接触式扭矩传感器的结构如图4-22所示，扭矩传感器是由连接输入轴和输出轴的扭杆、检所示，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。测环及线圈组成的。下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.9 采用压粉铁芯的电动助力转向用非采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器接触式扭矩传感器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

40、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)汇总汇总上一页上一页 返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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。

41、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。从油耗的角度来看，左右的能量损耗。从油耗的角度来看，大约形成大约形成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)仅在操纵仅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。且结构简单，还可以节省占地。下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术

42、学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

43、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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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图转向角度的检测部位的结构如图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

44、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，根据技术刷在底板上

45、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。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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操在运转过程中，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。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

46、后，仍稳定地供给无干扰的输在行驶数十万千米之后，仍稳定地供给无干扰的输出信号出信号 (3)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.上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校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

47、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轻滑动噪声的电刷的设计 为减轻滑动噪声的底板为减轻滑动噪声的底板(电镀面电镀面)的设计的设计 采取的对策采取的对策上一页上一页 返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器4. 11. 1前言前言 近几年以来，各相关部门都在尽全力对电动助力转向装置近几年以来，各相关部门

48、都在尽全力对电动助力转向装置(EPS)的动力助力控制以及各种电动机控制用的扭矩传感器的动力助力控制以及各种电动机控制用的扭矩传感器进行研究与开发，今后在动力传输系统领域内，利用控制发进行研究与开发，今后在动力传输系统领域内，利用控制发动机及变速器以及扭矩的最佳分配实现车辆运动控制等时，动机及变速器以及扭矩的最佳分配实现车辆运动控制等时，将会需要大量的扭矩传感器。将会需要大量的扭矩传感器。 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器 目前，动力传

49、输系统的控制是根据发动机的空燃比实施扭矩目前，动力传输系统的控制是根据发动机的空燃比实施扭矩推测控制的，但这样的控制将产生推测控制的，但这样的控制将产生110%一一20%的过量输出。的过量输出。如果能够实现直接检测发动机的输出轴或变速器的输入轴的如果能够实现直接检测发动机的输出轴或变速器的输入轴的扭矩的话，就可以减小这一过量输出，降低油耗。另外，根扭矩的话，就可以减小这一过量输出，降低油耗。另外，根据实际产生的扭矩，通过更精细的控制，还可以改善乘坐的据实际产生的扭矩，通过更精细的控制，还可以改善乘坐的舒适性以及在发动机诊断上得到应用。舒适性以及在发动机诊断上得到应用。上一页上一页 下一页下一页

50、返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器 因为动力传输系统的轴是高速旋转的，而且需要传输较大的因为动力传输系统的轴是高速旋转的，而且需要传输较大的扭矩，所以就要求其上采用响应速度快、检测范围宽的扭矩扭矩，所以就要求其上采用响应速度快、检测范围宽的扭矩传感器。此外，为了在实际的发动机与变速器上应用扭矩传传感器。此外，为了在实际的发动机与变速器上应用扭矩传感器，也需要实现传感器的工作温度范围宽、体积小。本节感器，也需要实现传感器的工作温度范围宽、体积小。本节

51、下面将说明小型且容易安装的磁致伸缩式扭矩传感器的检测下面将说明小型且容易安装的磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理及性能评价结果，而且这种传感器不需要对轴进行加工原理及性能评价结果，而且这种传感器不需要对轴进行加工就可以检测扭矩。就可以检测扭矩。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器4. 11. 2磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理 磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理如图磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理如图4一一

52、25所示。当将扭矩所示。当将扭矩T加到旋转轴上时，轴表面的张力方向加到旋转轴上时，轴表面的张力方向(+45方向方向)以及压缩以及压缩方向方向(一一45 方向方向)上会出现变形，这时，在张力方向上导磁上会出现变形，这时，在张力方向上导磁率增加，而另一方面，在压缩方向上导磁率减小率增加，而另一方面，在压缩方向上导磁率减小(磁致伸缩效磁致伸缩效果果)。在导磁率增加的方向上，设置线圈、使磁通能够通过线。在导磁率增加的方向上，设置线圈、使磁通能够通过线圈时，则电感圈时，则电感L增加，另一方面，对于导磁率减小的方向来增加，另一方面，对于导磁率减小的方向来说，说，L减小。减小。上一页上一页 下一页下一页返回

53、返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器 如图如图4一一26所示，所示，L增大的线圈增大的线圈(+45检测线圈检测线圈)与与L减少的线减少的线圈圈(一一45检测线圈检测线圈)为桥式连接，利用锁定放大器为桥式连接，利用锁定放大器(LIA)对差对差动电压进行放大，这样可以检测出与扭矩成正比的输出电压动电压进行放大，这样可以检测出与扭矩成正比的输出电压V0上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附

54、属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器4.11. 3磁致伸缩式扭矩传感器的结构及特点磁致伸缩式扭矩传感器的结构及特点 磁致伸缩式扭矩传感器是由利用磁性材料加工成圆筒状的磁磁致伸缩式扭矩传感器是由利用磁性材料加工成圆筒状的磁环，及其内面钻结的柔性基板线圈构成的，这种磁致伸缩式环，及其内面钻结的柔性基板线圈构成的，这种磁致伸缩式扭矩传感器的传感头的结构及其特点见扭矩传感器的传感头的结构及其特点见表表4一一7。上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4

55、.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器4. 11. 4磁致伸缩式扭矩传感器的规格磁致伸缩式扭矩传感器的规格 设计时设定磁致伸缩式扭矩传感器的安装部位为变速箱的输设计时设定磁致伸缩式扭矩传感器的安装部位为变速箱的输人轴，扭矩传感器的规格见人轴，扭矩传感器的规格见表表48.上一页上一页 下一页下一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校4.11 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器感器4. 11. 5磁致伸缩式扭矩传感器的性能评价磁致伸缩式扭矩传感器的性能评价 (1)

56、旋转轴静止时的评价旋转轴静止时的评价 室温下的基本特性的评价室温下的基本特性的评价 温度特性的评价及补偿方法温度特性的评价及补偿方法 (2)利用高速旋转轴进行评价利用高速旋转轴进行评价上一页上一页返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一3 可靠性试验项目可靠性试验项目返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一4 微压力传感器的规格微压力传感器的规格返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校

57、表表4一一5 可靠性试验项目可靠性试验项目返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一6 高压传感器的基本规格高压传感器的基本规格返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一7 磁致伸缩式扭矩传感器的结构及磁致伸缩式扭矩传感器的结构及特点特点返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校表表4一一8 扭矩传感器的规格扭矩传感器的规格返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校图图4一一1 真空开关的结构真空开关的结构返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校图图4一一2 连杆式传感器的结构连杆式传感器的结构返回返回哈工大科技园应用技术学院哈工大科技园应用技术学院及附属黑龙江应用技术学校及附属黑龙江应用技术学校图图4一一3 膜片式油压开关的结构膜片式油压开关的结构返回返回哈工大科技园应用技术学院哈