高级汽车发动机中传感器技术

1、高级汽车发动机中传感器技术第1页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四1 前言2 发动机运行环境3 传感器技术应用 3.1 微电子机械系统（MEMS）技术 3.2 硅应变片技术 4 信号处理与封装主要内容第2页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四1 前 言 当今世界各国对环境保护的日益重视，对汽车排放的要求越来越严格。国家环保总局公布了轻型汽车第III、IV号排放标准，并从2007年7月1日起实施国III标准。另一方面，随着汽车产业的进步，对汽车的运行、安全等综合性能提出了更高的要求。为此，各种先进技术不断地应用于发动机的各个环节中，如改进发动机结构、实施

2、精确的电控燃油喷射及采用尾气后处理技术等等。 这些技术中，性能可靠的高精度传感器必须的前提保证。整个发动机系统中，各种各样的传感器达几十种之多，以柴油机共轨发动机系统为例：第3页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四柴油机应用传感器 (电控共轨)Pressure sense pointEGR ValveTurboAir FilterBAPEBPDieselPart.Fil.Delta PAirFilterDelta PNOxNH34DieselPart.Fil. Gage/Abso Pres.Pressure Sensors Sensors -OthersEGR dPO2Ca

3、talystMufflerDieselPart.FilterNSTSCRUreaTank1256Fuel Tank Low Pressure Fuel PumpInj PumpCommonRailPressure98Low Pres. FuelPumpPres.+T7SCRUreaInjection Pres.10CPSKnockCrankcasePressure12HumidityMAFMAF+TMAPMAP+TBoost311EOPEOP+TEO Sw.第4页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 本文主要针对高级发动机系统中，随着高压喷射、EGR循环、尾气后处理等技术的

4、应用而引入的高性能传感器，结合森萨塔传感器介绍了基于MEMS技术的进气歧管绝对压力传感器、空气质量流量传感器及压差传感器，以及基于硅应变片技术的高油压传感器。 上述共轨系统中，各种可能涉及的传感器包括： 1.大气压力传感器 2. 空气滤清器压差传感器 3. 歧管绝压/温度传感器, 空气流量传感器 4. EGR压差传感器，排气背压传感器 5,6. DPF压差传感器 7. SCR 尿素喷射压力传感器 8. 低压油泵压力传感器 9.共轨压力传感器 10. 缸内压力传感器 11.发动机机油压力及温度传感器12. 曲轴箱压力传感器。以及油门踏板位置传感器，转速传感器，曲轴位置传感器，加速踏板位置传感器，

5、冷却液温度传感器，进气温度传感器，氧传感器，湿度传感器，NOx传感器，NH3传感器等等。第5页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四2 发动机运行环境 尽管经过了空气滤清器的净化，进气歧管中的环境依然非常复杂，从外界进入的空气中可能随气候的不同含有不同程度的水汽，经过长时间工作的滤清器进入的灰尘；中间环节有油箱蒸汽排放进入的油气；进气阀门开闭会产生反向气流，特别是采用EGR的系统中尤为如此；同时，从尾气通道经EGR系统进入的尾气颗粒也是必须考虑的。尾气后处理系统中，除了各种废气、微粒外，高温环境也对传感器提供严格的要求。1000200030004000500060007000

6、100806040200速度rpm扭矩 %汽油发动机，可变气门 1.6 l, 100 hp自然进气柴油机 2.0 l, 72 hp图2 EGR阀中的尾气颗粒图1 发动机不同工况时的 反向气流第6页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四3 传感器技术应用3.1 微电子机械系统技术MEMS (Micro Electro-mechanical System) 微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上对晶元进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。 由于其小尺寸、低功耗和低成本的优点，被广泛应用与汽车传感器领域。目前，先进的进气歧管压力传感器、压差传感器与空气流量传感

7、器都采用了MEMS技术。第7页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 进气歧管绝对压力传感器MAP (Manifold Absolute Pressure) 以森萨塔科技的进气歧管绝对压力传感器TMAP为例，该传感器的压力测量单元MAP部分基于MEMS技术的压阻效应原理，采用三维集成电路工艺，在同一硅片上进行特定晶向的微机械加工，生成分别受拉和受压的四个应变电阻，构成全惠斯顿检测电桥，成为集应力敏感与力电转换检测于一体的压力感应模块，如图 3 所示。感应模块引线保护凝胶硅基底参杂电阻基模绝对压力-R+R图3 MEMS压力感应模块图4 感应原理第8页，共31页，2022年，5月

8、20日，17点40分，星期四b) 压差传感器DPS (Differential Pressure Sensor) 应用DPS输出的颗粒捕集器两端的压力差信号，ECU能够高效率地选择“重生”时刻，进行尾气排放管理。运行很好的尾气处理系统，如图所示的CRT+EGR系统，能够减少废气中的颗粒达70%-90%，CO 和HC达90%，及 NOx 达40-60%。(数据来自：S.Chatterjee 和 J. Matterhey: Catalytic Emission Control for Heavy Duty Diesel Engines)ECUDPS传感器温度传感器OCC颗粒燃油喷射EGR 阀涡轮增

9、压器图5 尾气颗粒捕集器的连续“再生”技术 压差传感器主要用于尾气后处理系统中测量颗粒捕集器两端的压差，供ECU选择合适的“再生触发”时机及额外燃料注入量。 第9页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 DPS的MEMS技术与MAP基本相同，主要的区别是MAP的基模与感应模块之间有一块密闭的真空区域，而DPS的基模上有孔隙使得气体压力能够到达感应层，测量两个不同环境中气体的压力差。 图6 森萨塔DPS 图7 DPS安装方式第10页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四c) 空气流量传感器MAF (Mass Air Flow) 传统测量空气质量的传感器是基于热

10、线或热膜原理的，热线或热膜、温度补偿电阻及精密电阻构成惠斯顿电桥。测量时，热线或热膜被加热至特定温度，将进气流导致的温度差加热至原来的特定温度所需的加热电流即可作为空气质量的度量。 现代空气质量流量传感器将MEMS技术应用于上述原理，不仅在成本上，而且在精确性、抗污染性等性能上得到很大的提高。 图8 森萨塔MAF 图9 不同蜂巢结构对进气气流的影响第11页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 MAF传感器要求通过其截面的空气质量均匀分布。图9中，右图表明经过特殊设计的蜂巢可以使进气气流呈均匀的流线型，从而使采样的气流具有很好的代表性。 同时，采样模块的设计必须有较强的对灰尘

11、、微粒等的抗污染能力。但是，由于设计原理的不同，许多空气流量传感器没有考虑反向气流的影响。森萨塔MAF传感器（图10）具有针对反向气流独特结构设计。 图10 森萨塔MAF感应原理正向气流 反向气流热膜电阻第12页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 森萨塔MAF传感器采用两套基于热膜原理的惠斯顿测量电路（图10），没有空气流入时，输出为零；正向气流情况下，第一个热膜电阻被气流带走较多的热量，传感器输出正值；反之为负值。因而很好地解决了反向气流的干扰。sensor signal, V正向气流反向气流时间, ms 输出信号 010203040321 反向气流区域 Engine:

12、 1.9 l SDI， Throttle: open Speed: 1100 rpm，EGR Valve: open 第一传感模块 第二传感模块 传感模块信号, v 输出发动机转速 rpm-20020406080100100014001800220026003000 Bi-Directional Standard 信号误差 % 1.9 l SDI Engine 图11 MAF传感信号图12 不同测量的精度 图11中，传感器比较两个传感模块的输出，不仅可以反应气流的方向，而且可以消除反向气流的影响，给ECU提供更为精确的空气流量信号。图12表明，基于双桥原理测量技术有效地提高了传感器的测量精度。

13、第13页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四d) MAF 与TMAP的比较 从测量原理分析，ECU需要综合TMAP、空气体积等信号，间接地得到空气质量的信息，而MAF传感器由于是直接测量空气质量，是更为精确的方法。但实际上，由于发动机结构及具体应用不同，二者没有这样明显的区别。MAF传感器要求进气气流密度均匀、稳定，故其测量精度受蜂巢结构及进气管路的结构的影响。另一方面，由于具有价格优势，MAP通过较为精确的标定算法，也可以满足发动机的需要。 先进的发动机系统中，可变气门正时VVT系统和EGR系统的引入使得发动机效率和排放得到了很大的提高。但是，这些系统也增加了进气歧管中空

14、气的波动性，影响了通过MAP传感器间接测得的空气流量的精确性。因此，直接测量空气流量的MAF传感器在这类发动机系统中得到广泛应用。第14页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四3.2 硅应变片技术MSG (Micro-fused Silicon Gage) 为实现产业技术升级，满足国家燃料消耗及排放要求，电控燃油喷射技术被广泛应用于发动机系统中。图13 柴油机共轨系统及高压传感器位置示意图共轨压力传感器第15页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 柴油发动机共轨系统油压可达180MPa，汽油发动机油轨压力可达20MPa。这不仅要求油压传感器满足高的工作压力

15、，而且对测量精度、密封性等方面有着非常严格的要求。 图14 汽油直喷GDI 系统及高压传感器位置示意图GDI高压传感器 凸轮轴第16页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四+s-sp图15 森萨塔MSG原理c) 应变片受力分析b) 应变片分布R1R2R3R4 图15为森萨塔MSG传感器原理分析示意图。处于工作状态时，传感表面中间的两个应变片受到拉力，边缘的两个应变片受到压力。a) 森萨塔MSG传感器第17页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四受到拉力，边缘的应变片p-DR+DRpressurevoltageASIC+DR+DR-DR-DRVbVnVp 上述

16、四个应变片组成了惠斯顿电桥，正如MEMS技术应用中所述，这种由四个感应元组成电桥，具有高度的测量灵敏度，不受环境温度变化的影响。同时，传感器采用高度密封的整体结构设计，如图16所示，保证了在高压管路中高强度密封性要求。P 图16 传感器结构与感应电桥第18页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四4 信号处理与封装 流水线上批量制作的传感器通常达不到输出特性的要求。必须针对每个传感器进行单独的微调（trimming）和标定。4.1 信号调制与标定Serial InterfaceUBattUrefoutputUTempSensorsHybridProtection Circuit

17、Analog-Circuitry MUX11bitADCMCROMRAMEEPROMDigitalCircuitryASIC-schematicCAN11bitDAC16bittimer第19页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四Correction map120234516-4512-34-542Mass flowdbit dairMaster curveReal values Default calibrationFinal verificationNrU1U2U3U4U5Programming stationAll points withinspecified tol

18、eranceNot all points o.K.Calibration cycleOutput signaltolerances Real values tolerances Serial link第20页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四4.2 感应模块封装 感应模块上的感应层必须紧密接触要感应的介质，但又必须避免同介质直接接触带来的负作用，如应力引起输出漂移，热传导，酸、离子、油气等污染。第21页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四Back UpSensata Technologies, Inc.简介第22页，共31页，2022年，5月20日，1

19、7点40分，星期四Those things gifted with sense.Sensata Technologies, Inc. Sensata Technologies 原德州仪器传感器与控制器事业部。 公司于1916年4月24日在美国Attleboro成立。 公司在材料和温度感应控制领域的杰出业绩吸引了Texas Instruments的注意，并直接导致了于1959年与TI正式合并。2006年4月27日转让给美国著名投资基金公司Bain Capital。第23页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四Sensata Technologies, Inc. 全球总部Sens

20、ata Technologies, Inc. 德州仪器传感器和控制器事业部转让给贝恩投资（Bain Capital）有限公司的事宜已于4月27日完成。我们将以森萨塔科技（Sensata Technologies）的名称开始我们的业务。 第24页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四 Sensata Technologies 的品质核心是来源于我们的员工和全球各地的业务中心为用户和供应商提供的优质产品、技术创新和竭诚服务。这些也都是您所期望的，我们依然会一如既往地保持下去。 纵观全球，很少有公司能像 Sensata Technologies一样具有如此的全球覆盖性，我们在传感器

21、和控制器上90年的努力耕耘，让我们可以同时拥有传感器和控制器这样广泛的产品组合，使我们在专业技术领域的深度达到世界领先地位。作为一家独立的新公司，“Sensata Technologies”将为我们全球的客户，供应商和全体员工开启新的契机。 我们的email地址和网站域名都将变为S；然而发送至的email将会被转入我们的域名，并且人们登陆/snc网址也将自动转到我们新的网址。Sensata Technologies, Inc.第25页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四商务和技术中心客户服务销售 / 市场设计新产品研发过程研发最具成本竞争力产地生产生产计划制作 质量采购 专

22、业中心全球市场全球化设计产品专门化全球化协作专门化管理最具成本竞争力生产地商务&技术中心荷兰， AlmeloAttleboro, USA墨西哥，Aguascalientes中国 常州Sensata Technologies, Inc.Sensata Technologies, Inc. 第26页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四Campinas巴西Aguascalientes 墨西哥宝应，常州中国Chinchon韩国Kuala Lumpur马来西亚我们是顾客的全球合作伙伴ALMELO荷兰Freising,德国ATTLEBORO 美国OYAMA日本Dallas, TX 美国

23、Tokyo日本上海中国Novi, MI美国Seoul韩国汽车传感器产品研发中心及业务中心汽车传感器产品生产工厂Sensata Technologies, Inc.第27页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四技术研发中心实验室计量实验室 符合ISO100121要求表面分析实验室 - SEM-EDAX - Auger microscopy金相实验室环境测试实验室 - 振动 - 湿度 - 机械冲击 - 腐蚀 - 海拔 - 热冲击 - 热循环 - 寿命循环化学实验室 - 原子能辐射及吸收光谱法 - 傅立叶变换红外光谱分析 符合ISO/IEC指南第25款“检定及测试实验室必备条件”寿

24、命测试实验室 - 多种产品品质检测仪器 - 液压、气压压力循环设备 - 热循环和热冲击测试箱传感器原型实验室 - 玻璃焊接 - 厚膜工艺 - 导线的焊接电磁兼容性测试实验室 - 带状线测试 200V/m, 500kHz - 1GHz - 大电流测试 - ESDSensata Technologies, Inc.第28页，共31页，2022年，5月20日，17点40分，星期四空调系统压力传感器双态压力开关相对湿度和温度传感器空气质量传感器变速箱系统PSM组合压力开关档位传感器压力传感器压力/温度式传感器发动机系统MAP 歧管绝对压力传感器T-MAP传感器缸内直喷压力传感器共轨压力传感器MAF空气流量传感器DPS压差传感器排气背压传感器缸压传感器机油压力传感器底盘控制系统压力传感器及压力开关 - 动力转向 - 制动系统真空助力器压力传感器踏板压力传感器弱加速度传感器OWS座椅承重传感器传感器市场及应用（汽车行业）Sensa