程 娟

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430056）

應用在汽車上的壓力傳感器種類繁多，有的裝配在發(fā)動機上，例如進氣壓力傳感器、進氣溫度壓力傳感器、機油壓力傳感器、高壓油軌傳感器、氣缸壓力傳感器等；有的裝配在整車上，如空調壓力傳感器、油箱壓力傳感器、尿素壓力傳感器等。這些壓力傳感器都有一個共同的特點，其準確度與穩(wěn)定性都很高，非?？煽浚蝗菀资艿江h(huán)境（如高溫、振動等）的影響，且能大規(guī)模制造，因此給客戶帶來較低的成本收益。

1 基于微機電MEMS技術的壓力傳感器

微電子機械系統(tǒng) MEMS，簡稱微機電系統(tǒng)，它將電子系統(tǒng)和外部世界有機地聯(lián)系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁，力等自然界信號，并將這些信號轉換成電子系統(tǒng)可以識別的電信號，還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號。從材料和工藝的角度來看，微電子機械系統(tǒng)可簡單地理解為：在半導體襯底上利用微加工技術制作出的三維微結構或微系統(tǒng)。從組成結構上看，MEMS 系統(tǒng)由電子部件和機械部件組成，主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應的信號處理電路3部分［1］。

圖1 MEMS原理圖

在發(fā)動機上應用MEMS技術的壓力傳感器，比較典型的有進氣溫度壓力傳感器，壓力測量單元部分基于MEMS技術的壓阻效應原理，壓力作用于帶電橋的膜片（原理圖見圖1），膜片變形會引起對邊電阻變化，形成微弱電勢差，通過信號調理電路對該電壓放大調整，輸出標準的電壓給ECU（發(fā)動機控制單元）。工藝上采用三維集成電路，在同一硅片上進行微機械加工，生產分別受拉和受壓的4個應變電阻，構成惠斯通檢測電橋，成為集應力敏感與力電轉換檢測于一體的壓力感應模塊，見圖2。

圖2 電氣原理圖

圖3 進氣溫度傳感器爆炸圖

進氣溫度壓力傳感器的爆炸圖見圖3。由上蓋、PCB板、NTC熱敏電阻、插針、外殼以及O形圈組成。具有成熟而精確的溫度補償，有良好的電磁兼容性、抗振性和介質兼容性，能夠在全溫度范圍內可靠工作。鑒于機艙內的溫度要求，產品設計驗證的試驗溫度范圍是 -40～160 ℃。進氣溫度壓力傳感器的重要特性參數(shù)是壓力響應時間和壓力傳輸函數(shù)，壓力區(qū)間一般在200～2500 mbar，有效輸出區(qū)間在10%-90%。另外，壓差傳感器以及相對壓力傳感器也是基于MEMS技術。壓差傳感器主要應用在顆粒捕捉系統(tǒng)以及顆粒氧化催化器，它的優(yōu)勢主要有響應時間快、性能更好、精度更高、耐久性以及可靠性也較好。

2 基于陶瓷電容技術的壓力傳感器

以陶瓷為介質的電容器統(tǒng)稱為陶瓷介質電容器（圖4）。由于原材料豐富、結構簡單、價格低廉、而且電容量范圍較寬、損耗較小，陶瓷電容技術被廣泛應用在電力電子線路中［2］?；谔沾呻娙菁夹g的壓力傳感器原理如下：陶瓷基板與隔膜鍍上金屬作為電極使用，2種陶瓷部件通過玻璃密封連接在一起，保持可控間隙，以便2個金屬電極形成電容。如果施加壓力，那么將改變基板與隔膜的間隙，從而改變傳感元件的電容，再通過信號調理電路轉換成標準的電壓信號輸出給ECU。陶瓷電容壓力傳感器以其高靈敏度與低功耗而聞名。該材料不受惡劣介質的影響，而且在較大的溫度范圍內，傳感器都能保持穩(wěn)定。

圖4 陶瓷電容壓力傳感器

陶瓷電容壓力傳感器有很高的可靠性，能適合高壓高溫環(huán)境，也能暴露于機油的環(huán)境中。機油壓力傳感器是陶瓷電容技術的典型應用，可檢測發(fā)動機的機油壓力，能在低壓力點上實現(xiàn)極高的準確度，誤差可以達到±1.23%，壓力響應時間可以做到＜2 ms，并適用于較高的工作壓力環(huán)境，壓力范圍在50～1 150 kPa。機油壓力傳感器對清潔度有特殊要求，因此在制造時要求潔凈廠房。機油壓力傳感器的組成部件見圖5。

在柴油發(fā)動機上的尿素壓力傳感器也是陶瓷電容技術的典型應用，監(jiān)控SCR系統(tǒng)中的尿素溶液噴射壓力。在SCR系統(tǒng)中，對傳感器的最大挑戰(zhàn)是尿素的腐蝕性和尿素的低溫結冰特性，因此需要用高標準的不銹鋼接口確保傳感器不受尿素腐蝕的影響，并且在接口設計時著重考慮防結冰結構。

圖5 機油壓力傳感器爆炸圖

3 基于硅應變片技術MSG的壓力傳感器

硅應變片技術是利用單晶硅的壓阻效應制成的，將4個壓敏電阻置于金屬膜上，如圖6所示。在受到壓力時會發(fā)生機械形變，產生應力或應變，從而導致壓阻效應，再用導線焊接構成一個完整的惠斯通電橋，最后通過調理電路輸出一個壓力與電壓對應的曲線，如圖7所示。

圖6 硅應變片技術壓力傳感器

圖7 硅應變片技術電路原理

基于硅應變片技術的壓力傳感器一般應用在高壓傳感器上，如高壓油軌傳感器，安裝在油軌上，用于測量燃油壓力，使ECU能夠對發(fā)動機實現(xiàn)燃油供給的精確控制。高壓可達250 bar，精度高、可靠性好、使用壽命長，對測量介質兼容性好。由于是裝配在高壓油軌上，因此該傳感器對清潔度也有相當高的要求。

4 結束語

隨著環(huán)境保護意識的增強，以及國家法規(guī)要求的加嚴，越來越多的壓力傳感器會應用到汽車上。例如OBD II法規(guī)要求主機廠監(jiān)測整個排放蒸發(fā)系統(tǒng)的泄露量，那么就需要增加油箱壓力傳感器，用于油箱泄露的監(jiān)測。目前這個壓力傳感器在國內還沒有被廣泛應用，大部分主機廠還處在研發(fā)階段。

本文介紹了汽車用壓力傳感器的3種主流技術，以及它們在汽車上典型應用案例。隨著技術的普及以及國內科研能力的提高，國內也陸續(xù)涌現(xiàn)出一批在壓力傳感器方面表現(xiàn)比較好的民營企業(yè)。隨著科技的發(fā)展，傳感器技術已不再被國際上的知名企業(yè)所壟斷。

［1］ 周鵬.MEMS器件綜合技術的研究［D］.南京：東南大學，2005.

［2］ 閆曉金，陳永真.陶瓷電容器在電力電子線路中的應用［J］.電源世界，2008（3）：73-75．