高級(jí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器技術(shù)通用PPT課件

1、2006汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高層研討會(huì)高級(jí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器技術(shù)介紹 趙國(guó)峰 博士 森薩塔電子技術(shù)（上海）有限公司1 前言2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境3 傳感器技術(shù)應(yīng)用 3.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù) 3.2 硅應(yīng)變片技術(shù) 4 信號(hào)處理與封裝主要內(nèi)容1 前 言 當(dāng)今世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，對(duì)汽車排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格。國(guó)家環(huán)?？偩止剂溯p型汽車第III、IV號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)，并從2007年7月1日起實(shí)施國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，對(duì)汽車的運(yùn)行、安全等綜合性能提出了更高的要求。為此，各種先進(jìn)技術(shù)不斷地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，如改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、實(shí)施精確的電控燃油噴射及采用尾氣后處理技術(shù)等等。

2、這些技術(shù)中，性能可靠的高精度傳感器必須的前提保證。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，各種各樣的傳感器達(dá)幾十種之多，以柴油機(jī)共軌發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為例：柴油機(jī)應(yīng)用傳感器 (電控共軌)Pressure sense pointEGR ValveTurboAir FilterBAPEBPDieselPart.Fil.Delta PAirFilterDelta PNOxNH34DieselPart.Fil. Gage/Abso Pres.Pressure Sensors Sensors -OthersEGR dPO2CatalystMufflerDieselPart.FilterNSTSCRUreaTank1256Fuel T

3、ank Low Pressure Fuel PumpInj PumpCommonRailPressure98Low Pres. FuelPumpPres.+T7SCRUreaInjection Pres.10CPSKnockCrankcasePressure12HumidityMAFMAF+TMAPMAP+TBoost311EOPEOP+TEO Sw. 本文主要針對(duì)高級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，隨著高壓噴射、EGR循環(huán)、尾氣后處理等技術(shù)的應(yīng)用而引入的高性能傳感器，結(jié)合森薩塔傳感器介紹了基于MEMS技術(shù)的進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器、空氣質(zhì)量流量傳感器及壓差傳感器，以及基于硅應(yīng)變片技術(shù)的高油壓傳感器。 上述共軌系

4、統(tǒng)中，各種可能涉及的傳感器包括： 1.大氣壓力傳感器 2. 空氣濾清器壓差傳感器 3. 歧管絕壓/溫度傳感器, 空氣流量傳感器 4. EGR壓差傳感器，排氣背壓傳感器 5,6. DPF壓差傳感器 7. SCR 尿素噴射壓力傳感器 8. 低壓油泵壓力傳感器 9.共軌壓力傳感器 10. 缸內(nèi)壓力傳感器 11.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力及溫度傳感器12. 曲軸箱壓力傳感器。以及油門踏板位置傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，曲軸位置傳感器，加速踏板位置傳感器，冷卻液溫度傳感器，進(jìn)氣溫度傳感器，氧傳感器，濕度傳感器，NOx傳感器，NH3傳感器等等。2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境 盡管經(jīng)過(guò)了空氣濾清器的凈化，進(jìn)氣歧管中的環(huán)境依然非常復(fù)雜，從外

5、界進(jìn)入的空氣中可能隨氣候的不同含有不同程度的水汽，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作的濾清器進(jìn)入的灰塵；中間環(huán)節(jié)有油箱蒸汽排放進(jìn)入的油氣；進(jìn)氣閥門開閉會(huì)產(chǎn)生反向氣流，特別是采用EGR的系統(tǒng)中尤為如此；同時(shí)，從尾氣通道經(jīng)EGR系統(tǒng)進(jìn)入的尾氣顆粒也是必須考慮的。尾氣后處理系統(tǒng)中，除了各種廢氣、微粒外，高溫環(huán)境也對(duì)傳感器提供嚴(yán)格的要求。1000200030004000500060007000100806040200速度rpm扭矩 %汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，可變氣門 1.6 l, 100 hp自然進(jìn)氣柴油機(jī) 2.0 l, 72 hp圖2 EGR閥中的尾氣顆粒圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況時(shí)的 反向氣流3 傳感器技術(shù)應(yīng)用3.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)技

6、術(shù)MEMS (Micro Electro-mechanical System) 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)晶元進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。 由于其小尺寸、低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與汽車傳感器領(lǐng)域。目前，先進(jìn)的進(jìn)氣歧管壓力傳感器、壓差傳感器與空氣流量傳感器都采用了MEMS技術(shù)。 進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器MAP (Manifold Absolute Pressure) 以森薩塔科技的進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器TMAP為例，該傳感器的壓力測(cè)量單元MAP部分基于MEMS技術(shù)的壓阻效應(yīng)原理，采用三維集成電路工藝，在同一硅片上進(jìn)行特定晶向的微機(jī)械加工，生成分

7、別受拉和受壓的四個(gè)應(yīng)變電阻，構(gòu)成全惠斯頓檢測(cè)電橋，成為集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的壓力感應(yīng)模塊，如圖 3 所示。感應(yīng)模塊引線保護(hù)凝膠硅基底參雜電阻基模絕對(duì)壓力-R+R圖3 MEMS壓力感應(yīng)模塊圖4 感應(yīng)原理b) 壓差傳感器DPS (Differential Pressure Sensor) 應(yīng)用DPS輸出的顆粒捕集器兩端的壓力差信號(hào)，ECU能夠高效率地選擇“重生”時(shí)刻，進(jìn)行尾氣排放管理。運(yùn)行很好的尾氣處理系統(tǒng)，如圖所示的CRT+EGR系統(tǒng)，能夠減少?gòu)U氣中的顆粒達(dá)70%-90%，CO 和HC達(dá)90%，及 NOx 達(dá)40-60%。(數(shù)據(jù)來(lái)自：S.Chatterjee 和 J. Matterhe

8、y: Catalytic Emission Control for Heavy Duty Diesel Engines)ECUDPS傳感器溫度傳感器OCC顆粒燃油噴射EGR 閥渦輪增壓器圖5 尾氣顆粒捕集器的連續(xù)“再生”技術(shù) 壓差傳感器主要用于尾氣后處理系統(tǒng)中測(cè)量顆粒捕集器兩端的壓差，供ECU選擇合適的“再生觸發(fā)”時(shí)機(jī)及額外燃料注入量。 DPS的MEMS技術(shù)與MAP基本相同，主要的區(qū)別是MAP的基模與感應(yīng)模塊之間有一塊密閉的真空區(qū)域，而DPS的基模上有孔隙使得氣體壓力能夠到達(dá)感應(yīng)層，測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同環(huán)境中氣體的壓力差。 圖6 森薩塔DPS 圖7 DPS安裝方式c) 空氣流量傳感器MAF (Mass

9、 Air Flow) 傳統(tǒng)測(cè)量空氣質(zhì)量的傳感器是基于熱線或熱膜原理的，熱線或熱膜、溫度補(bǔ)償電阻及精密電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。測(cè)量時(shí)，熱線或熱膜被加熱至特定溫度，將進(jìn)氣流導(dǎo)致的溫度差加熱至原來(lái)的特定溫度所需的加熱電流即可作為空氣質(zhì)量的度量。 現(xiàn)代空氣質(zhì)量流量傳感器將MEMS技術(shù)應(yīng)用于上述原理，不僅在成本上，而且在精確性、抗污染性等性能上得到很大的提高。 圖8 森薩塔MAF 圖9 不同蜂巢結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣氣流的影響 MAF傳感器要求通過(guò)其截面的空氣質(zhì)量均勻分布。圖9中，右圖表明經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的蜂巢可以使進(jìn)氣氣流呈均勻的流線型，從而使采樣的氣流具有很好的代表性。 同時(shí)，采樣模塊的設(shè)計(jì)必須有較強(qiáng)的對(duì)灰塵、微粒等的

10、抗污染能力。但是，由于設(shè)計(jì)原理的不同，許多空氣流量傳感器沒(méi)有考慮反向氣流的影響。森薩塔MAF傳感器（圖10）具有針對(duì)反向氣流獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 圖10 森薩塔MAF感應(yīng)原理正向氣流 反向氣流熱膜電阻 森薩塔MAF傳感器采用兩套基于熱膜原理的惠斯頓測(cè)量電路（圖10），沒(méi)有空氣流入時(shí)，輸出為零；正向氣流情況下，第一個(gè)熱膜電阻被氣流帶走較多的熱量，傳感器輸出正值；反之為負(fù)值。因而很好地解決了反向氣流的干擾。sensor signal, V正向氣流反向氣流時(shí)間, ms 輸出信號(hào) 010203040321 反向氣流區(qū)域 Engine: 1.9 l SDI， Throttle: open Speed: 110

11、0 rpm，EGR Valve: open 第一傳感模塊 第二傳感模塊 傳感模塊信號(hào), v 輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 rpm-20020406080100100014001800220026003000 Bi-Directional Standard 信號(hào)誤差 % 1.9 l SDI Engine 圖11 MAF傳感信號(hào)圖12 不同測(cè)量的精度 圖11中，傳感器比較兩個(gè)傳感模塊的輸出，不僅可以反應(yīng)氣流的方向，而且可以消除反向氣流的影響，給ECU提供更為精確的空氣流量信號(hào)。圖12表明，基于雙橋原理測(cè)量技術(shù)有效地提高了傳感器的測(cè)量精度。d) MAF 與TMAP的比較 從測(cè)量原理分析，ECU需要綜合TMAP、空

12、氣體積等信號(hào)，間接地得到空氣質(zhì)量的信息，而MAF傳感器由于是直接測(cè)量空氣質(zhì)量，是更為精確的方法。但實(shí)際上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及具體應(yīng)用不同，二者沒(méi)有這樣明顯的區(qū)別。MAF傳感器要求進(jìn)氣氣流密度均勻、穩(wěn)定，故其測(cè)量精度受蜂巢結(jié)構(gòu)及進(jìn)氣管路的結(jié)構(gòu)的影響。另一方面，由于具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，MAP通過(guò)較為精確的標(biāo)定算法，也可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。 先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，可變氣門正時(shí)VVT系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)的引入使得發(fā)動(dòng)機(jī)效率和排放得到了很大的提高。但是，這些系統(tǒng)也增加了進(jìn)氣歧管中空氣的波動(dòng)性，影響了通過(guò)MAP傳感器間接測(cè)得的空氣流量的精確性。因此，直接測(cè)量空氣流量的MAF傳感器在這類發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3.2

13、硅應(yīng)變片技術(shù)MSG (Micro-fused Silicon Gage) 為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，滿足國(guó)家燃料消耗及排放要求，電控燃油噴射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中。圖13 柴油機(jī)共軌系統(tǒng)及高壓傳感器位置示意圖共軌壓力傳感器 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)共軌系統(tǒng)油壓可達(dá)180MPa，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油軌壓力可達(dá)20MPa。這不僅要求油壓傳感器滿足高的工作壓力，而且對(duì)測(cè)量精度、密封性等方面有著非常嚴(yán)格的要求。 圖14 汽油直噴GDI 系統(tǒng)及高壓傳感器位置示意圖GDI高壓傳感器 凸輪軸+s-sp圖15 森薩塔MSG原理c) 應(yīng)變片受力分析b) 應(yīng)變片分布R1R2R3R4 圖15為森薩塔MSG傳感器原理分析示意圖。處于工作狀

14、態(tài)時(shí)，傳感表面中間的兩個(gè)應(yīng)變片受到拉力，邊緣的兩個(gè)應(yīng)變片受到壓力。a) 森薩塔MSG傳感器受到拉力，邊緣的應(yīng)變片p-DR+DRpressurevoltageASIC+DR+DR-DR-DRVbVnVp 上述四個(gè)應(yīng)變片組成了惠斯頓電橋，正如MEMS技術(shù)應(yīng)用中所述，這種由四個(gè)感應(yīng)元組成電橋，具有高度的測(cè)量靈敏度，不受環(huán)境溫度變化的影響。同時(shí)，傳感器采用高度密封的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖16所示，保證了在高壓管路中高強(qiáng)度密封性要求。P 圖16 傳感器結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電橋4 信號(hào)處理與封裝 流水線上批量制作的傳感器通常達(dá)不到輸出特性的要求。必須針對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)的微調(diào)（trimming）和標(biāo)定。4.1 信號(hào)調(diào)

15、制與標(biāo)定Serial InterfaceUBattUrefoutputUTempSensorsHybridProtection CircuitAnalog-Circuitry MUX11bitADCMCROMRAMEEPROMDigitalCircuitryASIC-schematicCAN11bitDAC16bittimerCorrection map120234516-4512-34-542Mass flowdbit dairMaster curveReal values Default calibrationFinal verificationNrU1U2U3U4U5Programmin

16、g stationAll points withinspecified toleranceNot all points o.K.Calibration cycleOutput signaltolerances Real values tolerances Serial link4.2 感應(yīng)模塊封裝 感應(yīng)模塊上的感應(yīng)層必須緊密接觸要感應(yīng)的介質(zhì)，但又必須避免同介質(zhì)直接接觸帶來(lái)的負(fù)作用，如應(yīng)力引起輸出漂移，熱傳導(dǎo)，酸、離子、油氣等污染。Back UpSensata Technologies, Inc.簡(jiǎn)介Those things gifted with sense.Sensata Technolog

17、ies, Inc. Sensata Technologies 原德州儀器傳感器與控制器事業(yè)部。 公司于1916年4月24日在美國(guó)Attleboro成立。 公司在材料和溫度感應(yīng)控制領(lǐng)域的杰出業(yè)績(jī)吸引了Texas Instruments的注意，并直接導(dǎo)致了于1959年與TI正式合并。2006年4月27日轉(zhuǎn)讓給美國(guó)著名投資基金公司Bain Capital。Sensata Technologies, Inc. 全球總部Sensata Technologies, Inc. 德州儀器傳感器和控制器事業(yè)部轉(zhuǎn)讓給貝恩投資（Bain Capital）有限公司的事宜已于4月27日完成。我們將以森薩塔科技（Sens

18、ata Technologies）的名稱開始我們的業(yè)務(wù)。 Sensata Technologies 的品質(zhì)核心是來(lái)源于我們的員工和全球各地的業(yè)務(wù)中心為用戶和供應(yīng)商提供的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、技術(shù)創(chuàng)新和竭誠(chéng)服務(wù)。這些也都是您所期望的，我們依然會(huì)一如既往地保持下去。 縱觀全球，很少有公司能像 Sensata Technologies一樣具有如此的全球覆蓋性，我們?cè)趥鞲衅骱涂刂破魃?0年的努力耕耘，讓我們可以同時(shí)擁有傳感器和控制器這樣廣泛的產(chǎn)品組合，使我們?cè)趯I(yè)技術(shù)領(lǐng)域的深度達(dá)到世界領(lǐng)先地位。作為一家獨(dú)立的新公司，“Sensata Technologies”將為我們?nèi)虻目蛻?，供?yīng)商和全體員工開啟新的契機(jī)。 我

19、們的email地址和網(wǎng)站域名都將變?yōu)镾；然而發(fā)送至的email將會(huì)被轉(zhuǎn)入我們的域名，并且人們登陸/snc網(wǎng)址也將自動(dòng)轉(zhuǎn)到我們新的網(wǎng)址。Sensata Technologies, Inc.商務(wù)和技術(shù)中心客戶服務(wù)銷售 / 市場(chǎng)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程研發(fā)最具成本競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)地生產(chǎn)生產(chǎn)計(jì)劃制作 質(zhì)量采購(gòu) 專業(yè)中心全球市場(chǎng)全球化設(shè)計(jì)產(chǎn)品專門化全球化協(xié)作專門化管理最具成本競(jìng)爭(zhēng)力生產(chǎn)地商務(wù)&技術(shù)中心荷蘭， AlmeloAttleboro, USA墨西哥，Aguascalientes中國(guó) 常州Sensata Technologies, Inc.Sensata Technologies, Inc. Campinas巴西Aguascalientes 墨西哥寶應(yīng)，常州中國(guó)Chinchon韓國(guó)Kuala Lumpur馬來(lái)西亞我們是顧客的全球合作伙伴ALMELO荷蘭Freising,德國(guó)ATTLEBORO 美國(guó)OYAMA日本Dallas, TX 美國(guó)Tokyo日本上海中國(guó)Novi, MI美國(guó)Seo