高級汽車發(fā)動機中傳感器技術(shù)介紹…………森薩塔電子技術(shù)課件

14八月2023高級汽車發(fā)動機中傳感器技術(shù)介紹…………森薩塔電子技術(shù)05八月2023高級汽車發(fā)動機中傳感器技術(shù)介紹…………森11前言2發(fā)動機運行環(huán)境3傳感器技術(shù)應(yīng)用3.1微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)3.2硅應(yīng)變片技術(shù)4信號處理與封裝主要內(nèi)容1前言主要內(nèi)容21前言

當(dāng)今世界各國對環(huán)境保護的日益重視，對汽車排放的要求越來越嚴(yán)格。國家環(huán)?？偩止剂溯p型汽車第III、IV號排放標(biāo)準(zhǔn)，并從2007年7月1日起實施國III標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的進步，對汽車的運行、安全等綜合性能提出了更高的要求。為此，各種先進技術(shù)不斷地應(yīng)用于發(fā)動機的各個環(huán)節(jié)中，如改進發(fā)動機結(jié)構(gòu)、實施精確的電控燃油噴射及采用尾氣后處理技術(shù)等等。這些技術(shù)中，性能可靠的高精度傳感器必須的前提保證。整個發(fā)動機系統(tǒng)中，各種各樣的傳感器達幾十種之多，以柴油機共軌發(fā)動機系統(tǒng)為例：1前言當(dāng)今世界各國對環(huán)境保護的日益重視，3柴油機應(yīng)用傳感器

(電控共軌)PressuresensepointEGRValveTurboAirFilterBAPEBPDieselPart.Fil.DeltaPAirFilterDeltaPNOxNH34DieselPart.Fil.Gage/AbsoPres.PressureSensorsSensors-OthersEGRdPO2CatalystMufflerDieselPart.FilterNSTSCRUreaTank1256FuelTankLowPressureFuelPumpInjPumpCommonRailPressure98LowPres.FuelPumpPres.+T7SCRUreaInjectionPres.10CPSKnockCrankcasePressure12HumidityMAFMAF+TMAPMAP+TBoost311EOPEOP+TEOSw.柴油機應(yīng)用傳感器(電控共軌)PressureEGRVa4本文主要針對高級發(fā)動機系統(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)的進氣歧管絕對壓力傳感器、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)動機機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。本文主要針對高級發(fā)動機系統(tǒng)中，隨著高壓噴射、52發(fā)動機運行環(huán)境盡管經(jīng)過了空氣濾清器的凈化，進氣歧管中的環(huán)境依然非常復(fù)雜，從外界進入的空氣中可能隨氣候的不同含有不同程度的水汽，經(jīng)過長時間工作的濾清器進入的灰塵；中間環(huán)節(jié)有油箱蒸汽排放進入的油氣；進氣閥門開閉會產(chǎn)生反向氣流，特別是采用EGR的系統(tǒng)中尤為如此；同時，從尾氣通道經(jīng)EGR系統(tǒng)進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)境也對傳感器提供嚴(yán)格的要求。1000200030004000500060007000100806040200速度rpm扭矩%汽油發(fā)動機，可變氣門1.6l,100hp自然進氣柴油機2.0l,72hp圖2EGR閥中的尾氣顆粒圖1發(fā)動機不同工況時的反向氣流2發(fā)動機運行環(huán)境10002000300040005000663傳感器技術(shù)應(yīng)用3.1微電子機械系統(tǒng)技術(shù)MEMS(MicroElectro-mechanicalSystem)微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上對晶元進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。由于其小尺寸、低功耗和低成本的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用與汽車傳感器領(lǐng)域。目前，先進的進氣歧管壓力傳感器、壓差傳感器與空氣流量傳感器都采用了MEMS技術(shù)。3傳感器技術(shù)應(yīng)用3.1微電子機械系統(tǒng)技術(shù)MEMS(Mi7進氣歧管絕對壓力傳感器MAP(ManifoldAbsolutePressure)以森薩塔科技的進氣歧管絕對壓力傳感器TMAP為例，該傳感器的壓力測量單元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，在同一硅片上進行特定晶向的微機械加工，生成分別受拉和受壓的四個應(yīng)變電阻，構(gòu)成全惠斯頓檢測電橋，成為集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的壓力感應(yīng)模塊，如圖3所示。感應(yīng)模塊引線保護凝膠硅基底參雜電阻基模絕對壓力-ΔR+ΔR圖3MEMS壓力感應(yīng)模塊圖4感應(yīng)原理進氣歧管絕對壓力傳感器MAP(ManifoldAbso8b)壓差傳感器DPS(DifferentialPressureSensor)應(yīng)用DPS輸出的顆粒捕集器兩端的壓力差信號，ECU能夠高效率地選擇“重生”時刻，進行尾氣排放管理。運行很好的尾氣處理系統(tǒng)，如圖所示的CRT+EGR系統(tǒng)，能夠減少廢氣中的顆粒達70%-90%，CO和HC達90%，及NOx達40-60%。(數(shù)據(jù)來自：S.Chatterjee和J.Matterhey:CatalyticEmissionControlforHeavyDutyDieselEngines)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)中測量顆粒捕集器兩端的壓差，供ECU選擇合適的“再生觸發(fā)”時機及額外燃料注入量。

b)壓差傳感器DPS(DifferentialPres9DPS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感應(yīng)層，測量兩個不同環(huán)境中氣體的壓力差。圖6森薩塔DPS圖7

DPS安裝方式DPS的MEMS技術(shù)與MAP基本相同，主要的10c)空氣流量傳感器MAF(MassAirFlow)傳統(tǒng)測量空氣質(zhì)量的傳感器是基于熱線或熱膜原理的，熱線或熱膜、溫度補償電阻及精密電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。測量時，熱線或熱膜被加熱至特定溫度，將進氣流導(dǎo)致的溫度差加熱至原來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)對進氣氣流的影響c)空氣流量傳感器MAF(MassAirFlow)11MAF傳感器要求通過其截面的空氣質(zhì)量均勻分布。圖9中，右圖表明經(jīng)過特殊設(shè)計的蜂巢可以使進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，采樣模塊的設(shè)計必須有較強的對灰塵、微粒等的抗污染能力。但是，由于設(shè)計原理的不同，許多空氣流量傳感器沒有考慮反向氣流的影響。森薩塔MAF傳感器（圖10）具有針對反向氣流獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖10森薩塔MAF感應(yīng)原理正向氣流反向氣流熱膜電阻MAF傳感器要求通過其截面的空氣質(zhì)量均勻分布12森薩塔MAF傳感器采用兩套基于熱膜原理的惠斯頓測量電路（圖10），沒有空氣流入時，輸出為零；正向氣流情況下，第一個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。sensorsignal,[V]正向氣流反向氣流時間,ms輸出信號010203040321反向氣流區(qū)域Engine:1.9lSDI，Throttle:openSpeed:1100rpm ，EGRValve:open第一傳感模塊第二傳感模塊傳感模塊信號,v輸出發(fā)動機轉(zhuǎn)速rpm-20020406080100100014001800220026003000

Bi-Directional

Standard信號誤差%

1.9lSDIEngine圖11MAF傳感信號圖12不同測量的精度圖11中，傳感器比較兩個傳感模塊的輸出，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。圖12表明，基于雙橋原理測量技術(shù)有效地提高了傳感器的測量精度。森薩塔MAF傳感器采用兩套基于熱膜原理的惠斯頓測量電13d)MAF與TMAP的比較從測量原理分析，ECU需要綜合TMAP、空氣體積等信號，間接地得到空氣質(zhì)量的信息，而MAF傳感器由于是直接測量空氣質(zhì)量，是更為精確的方法。但實際上，由于發(fā)動機結(jié)構(gòu)及具體應(yīng)用不同，二者沒有這樣明顯的區(qū)別。MAF傳感器要求進氣氣流密度均勻、穩(wěn)定，故其測量精度受蜂巢結(jié)構(gòu)及進氣管路的結(jié)構(gòu)的影響。另一方面，由于具有價格優(yōu)勢，MAP通過較為精確的標(biāo)定算法，也可以滿足發(fā)動機的需要。先進的發(fā)動機系統(tǒng)中，可變氣門正時VVT系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)的引入使得發(fā)動機效率和排放得到了很大的提高。但是，這些系統(tǒng)也增加了進氣歧管中空氣的波動性，影響了通過MAP傳感器間接測得的空氣流量的精確性。因此，直接測量空氣流量的MAF傳感器在這類發(fā)動機系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。d)MAF與TMAP的比較從測量原理分析143.2

硅應(yīng)變片技術(shù)MSG(Micro-fusedSiliconGage)為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，滿足國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)動機系統(tǒng)中。圖13柴油機共軌系統(tǒng)及高壓傳感器位置示意圖共軌壓力傳感器3.2硅應(yīng)變片技術(shù)MSG(Micro-fusedSil15柴油發(fā)動機共軌系統(tǒng)油壓可達180MPa，汽油發(fā)動機油軌壓力可達20MPa。這不僅要求油壓傳感器滿足高的工作壓力，而且對測量精度、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

凸輪軸柴油發(fā)動機共軌系統(tǒng)油壓可達180MPa，汽16+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。處于工作狀態(tài)時，傳感表面中間的兩個應(yīng)變片受到拉力，邊緣的兩個應(yīng)變片受到壓力。a)森薩塔MSG傳感器+s-sp圖15森薩塔MSG原理c)應(yīng)變片受力分析b)17受到拉力，邊緣的應(yīng)變片p-DR+DRpressurevoltageASIC+DR+DR-DR-DRVbVnVp上述四個應(yīng)變片組成了惠斯頓電橋，正如MEMS技術(shù)應(yīng)用中所述，這種由四個感應(yīng)元組成電橋，具有高度的測量靈敏度，不受環(huán)境溫度變化的影響。同時，傳感器采用高度密封的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖16所示，保證了在高壓管路中高強度密封性要求。P圖16傳感器結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電橋受到拉力，邊緣的應(yīng)變片p-DR+DRpressurevolt184信號處理與封裝流水線上批量制作的傳感器通常達不到輸出特性的要求。必須針對每個傳感器進行單獨的微調(diào)（trimming）和標(biāo)定。4.1信號調(diào)制與標(biāo)定SerialInterfaceUBattUrefoutputUTempSensorsHybridProtectionCircuitAnalog-CircuitryMUX11bitADCMCROMRAMEEPROMDigitalCircuitryASIC-schematicCAN11bitDAC16bittimer4信號處理與封裝流水線上批量制作的傳感器通19Correctionmap120234516-4512-34-542Massflowdébitd’airMastercurveRealvaluesDefaultcalibrationFinalverificationNrU1U2U3U4U5ProgrammingstationAllpointswithinspecifiedtoleranceNotallpointso.K.CalibrationcycleOutputsignaltolerancesRealvaluestolerancesSeriallinkCorrectionmap120234516-4512-3204.2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。4.2感應(yīng)模塊封裝感應(yīng)模塊上的感應(yīng)層必須21BackUp

SensataTechnologies,Inc.簡介

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SensataTechnologies,22Thosethingsgiftedwithsense.SensataTechnologies,Inc.SensataTechnologies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)績吸引了TexasInstruments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)讓給美國著名投資基金公司BainCapital。Thosethingsgiftedwithsense23SensataTechnologies,Inc.全球總部SensataTechnologies,Inc.

德州儀器傳感器和控制器事業(yè)部轉(zhuǎn)讓給貝恩投資（BainCapital）有限公司的事宜已于4月27日完成。我們將以森薩塔科技（SensataTechnologies）的名稱開始我們的業(yè)務(wù)。

SensataTechnologies,Inc.全球總24

SensataTechnologies的品質(zhì)核心是來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)新和竭誠服務(wù)。這些也都是您所期望的，我們依然會一如既往地保持下去。

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我們的email地址和網(wǎng)站域名都將變?yōu)镾；然而發(fā)送至的email將會被轉(zhuǎn)入我們的域名，并且人們登陸/snc網(wǎng)址也將自動轉(zhuǎn)到我們新的網(wǎng)址。SensataTechnologies,Inc.SensataTechnologies的25商務(wù)和技術(shù)中心客戶服務(wù)銷售/市場設(shè)計新產(chǎn)品研發(fā)過程研發(fā)最具成本競爭力產(chǎn)地生產(chǎn)生產(chǎn)計劃制作質(zhì)量采購專業(yè)中心全球市場全球化設(shè)計產(chǎn)品專門化全球化協(xié)作專門化管理最具成本競爭力生產(chǎn)地商務(wù)&技術(shù)中心荷蘭，AlmeloAttleboro,USA墨西哥，Aguascalientes中國常州SensataTechnologies,Inc.SensataTechnologies,Inc.商務(wù)和技術(shù)中心最具成本競爭力產(chǎn)地專業(yè)中心最具成本競爭力生產(chǎn)地26Campinas巴西Aguascalientes

墨西哥寶應(yīng)，常州

中國Chinchon韓國KualaLumpur

馬來西亞我們是顧客的全球合作伙伴ALMELO荷蘭Freising,德國ATTLEBORO美國OYAMA日本Dallas,TX美國Tokyo日本上海中國Novi,MI美國Seoul韓國汽車傳感器產(chǎn)品研發(fā)中心及業(yè)務(wù)中心汽車傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)工廠SensataTechnologies,Inc.CampinasAguascalientes

墨西哥寶應(yīng)，27技術(shù)研發(fā)中心實驗室計量實驗室符合ISO10012－1要求表面分析實驗室-SEM-EDAX-Augermicroscopy金相實驗室環(huán)境測試實驗室

-振動-濕度-機械沖擊-腐蝕-海拔-熱沖擊-熱循環(huán)-壽命循環(huán)化學(xué)實驗室-原子能輻射及吸收光譜法-傅立葉變換紅外光譜分析符合ISO/IEC指南第25款“檢定及測試實驗室必備條件”壽命測試實驗室-多種產(chǎn)品品質(zhì)檢測儀器

-液壓、氣壓壓力循環(huán)設(shè)備

-熱循環(huán)和熱沖擊測試箱傳感器原型實驗室-玻璃焊接

-厚膜工藝-導(dǎo)線的焊接電磁兼容性測試實驗室

-帶狀線測試200V/m,500kHz-1GHz

-大電流測試-ESDSensataTechnologies,Inc.技術(shù)研發(fā)中心實驗室計量實驗室符合ISO10012－1要求28空調(diào)系統(tǒng)壓力傳感器雙態(tài)壓力開關(guān)相對濕度和溫度傳感器空氣質(zhì)量傳感器變速箱系統(tǒng)PSM組合壓力開關(guān)檔位傳感器壓力傳感器壓力/溫度式傳感器發(fā)動機系統(tǒng)MAP歧管絕對壓力傳感器T-MAP傳感器缸內(nèi)直噴壓力傳感器共軌壓力傳感器MAF空氣流量傳感器DPS壓差傳感器排氣背壓傳感器缸壓傳感器機油壓力傳感器底盤控制系統(tǒng)壓力傳感器及壓力開關(guān)

-動力轉(zhuǎn)向-制動系統(tǒng)真空助力器壓力傳感器踏板壓力傳感器弱加速度傳感器OWS座椅承重傳感器傳感器市場及應(yīng)用（汽車行業(yè)）SensataTechnologies,Inc.空調(diào)系統(tǒng)變速箱系統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)底盤控制系統(tǒng)傳感器市場及應(yīng)用（汽29提供全