1、2006汽車發動機高層研討會高級汽車發動機中傳感器技術介紹 趙國峰 博士 森薩塔電子技術（上海）有限公司1 前言2 發動機運行環境3 傳感器技術應用 3.1 微電子機械系統（MEMS）技術 3.2 硅應變片技術 4 信號處理與封裝主要內容1 前 言 當今世界各國對環境保護的日益重視，對汽車排放的要求越來越嚴格。國家環保總局公布了輕型汽車第III、IV號排放標準，并從2007年7月1日起實施國III標準。另一方面，隨著汽車產業的進步，對汽車的運行、安全等綜合性能提出了更高的要求。為此，各種先進技術不斷地應用于發動機的各個環節中，如改進發動機結構、實施精確的電控燃油噴射及采用尾氣后處理技術等等。

2、這些技術中，性能可靠的高精度傳感器必須的前提保證。整個發動機系統中，各種各樣的傳感器達幾十種之多，以柴油機共軌發動機系統為例：柴油機應用傳感器 (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. 本文主要針對高級發動機系統中，隨著高壓噴射、EGR循環、尾氣后處理等技術的應用而引入的高性能傳感器，結合森薩塔傳感器介紹了基于MEMS技術的進氣歧管絕對壓力傳感器、空氣質量流量傳感器及壓差傳感器，以及基于硅應變片技術的高油壓傳感器。 上述共軌系

4、統中，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. 缸內壓力傳感器 11.發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。2 發動機運行環境 盡管經過了空氣濾清器的凈化，進氣歧管中的環境依然非常復雜，從外

5、界進入的空氣中可能隨氣候的不同含有不同程度的水汽，經過長時間工作的濾清器進入的灰塵；中間環節有油箱蒸汽排放進入的油氣；進氣閥門開閉會產生反向氣流，特別是采用EGR的系統中尤為如此；同時，從尾氣通道經EGR系統進入的尾氣顆粒也是必須考慮的。尾氣后處理系統中，除了各種廢氣、微粒外，高溫環境也對傳感器提供嚴格的要求。1000200030004000500060007000100806040200速度rpm扭矩 %汽油發動機，可變氣門 1.6 l, 100 hp自然進氣柴油機 2.0 l, 72 hp圖2 EGR閥中的尾氣顆粒圖1 發動機不同工況時的 反向氣流3 傳感器技術應用3.1 微電子機械系統技

6、術MEMS (Micro Electro-mechanical System) 微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術基礎上對晶元進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。 由于其小尺寸、低功耗和低成本的優點，被廣泛應用與汽車傳感器領域。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。 進氣歧管絕對壓力傳感器MAP (Manifold Absolute Pressure) 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技術的壓阻效應原理，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

7、別受拉和受壓的四個應變電阻，構成全惠斯頓檢測電橋，成為集應力敏感與力電轉換檢測于一體的壓力感應模塊，如圖 3 所示。感應模塊引線保護凝膠硅基底參雜電阻基模絕對壓力-R+R圖3 MEMS壓力感應模塊圖4 感應原理b) 壓差傳感器DPS (Differential Pressure Sensor) 應用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，如圖所示的CRT+EGR系統，能夠減少廢氣中的顆粒達70%-90%，CO 和HC達90%，及 NOx 達40-60%。(數據來自：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“再生”技術 壓差傳感器主要用于尾氣后處理系統中測量顆粒捕集器兩端的壓差，供ECU選擇合適的“再生觸發”時機及額外燃料注入量。 DPS的MEMS技術與MAP基本相同，主要的區別是MAP的基模與感應模塊之間有一塊密閉的真空區域，而DPS的基模上有孔隙使得氣體壓力能夠到達感應層，測量兩個不同環境中氣體的壓力差。 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) 傳統測量空氣質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量的度量。 現代空氣質量流量傳感器將MEMS技術應用于上述原理，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 不同蜂巢結構對進氣氣流的影響 MAF傳感器要求通過其截面的空氣質量均勻分布。圖9中，右圖表明經過特殊設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，采樣模塊的設計必須有較強的對灰塵、微粒等的

10、抗污染能力。但是，由于設計原理的不同，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構設計。 圖10 森薩塔MAF感應原理正向氣流 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間, ms 輸出信號 010203040321 反向氣流區域 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, v 輸出發動機轉速 rpm-20020406080100100014001800220026003000 Bi-Directional Standard 信號誤差 % 1.9 l SDI Engine 圖11 MAF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有效地提高了傳感器的測量精度。d) MAF 與TMAP的比較 從測量原理分析，ECU需要綜合TMAP、空

12、氣體積等信號，間接地得到空氣質量的信息，而MAF傳感器由于是直接測量空氣質量，是更為精確的方法。但實際上，由于發動機結構及具體應用不同，二者沒有這樣明顯的區別。MAF傳感器要求進氣氣流密度均勻、穩定，故其測量精度受蜂巢結構及進氣管路的結構的影響。另一方面，由于具有價格優勢，MAP通過較為精確的標定算法，也可以滿足發動機的需要。 先進的發動機系統中，可變氣門正時VVT系統和EGR系統的引入使得發動機效率和排放得到了很大的提高。但是，這些系統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傳感器在這類發動機系統中得到廣泛應用。3.2

13、硅應變片技術MSG (Micro-fused Silicon Gage) 為實現產業技術升級，滿足國家燃料消耗及排放要求，電控燃油噴射技術被廣泛應用于發動機系統中。圖13 柴油機共軌系統及高壓傳感器位置示意圖共軌壓力傳感器 柴油發動機共軌系統油壓可達180MPa，汽油發動機油軌壓力可達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格的要求。 圖14 汽油直噴GDI 系統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) 應變片受力分析b) 應變片分布R1R2R3R4 圖15為森薩塔MSG傳感器原理分析示意圖。處于工作狀

14、態時，傳感表面中間的兩個應變片受到拉力，邊緣的兩個應變片受到壓力。a) 森薩塔MSG傳感器受到拉力，邊緣的應變片p-DR+DRpressurevoltageASIC+DR+DR-DR-DRVbVnVp 上述四個應變片組成了惠斯頓電橋，正如MEMS技術應用中所述，這種由四個感應元組成電橋，具有高度的測量靈敏度，不受環境溫度變化的影響。同時，傳感器采用高度密封的整體結構設計，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 傳感器結構與感應電橋4 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（trimming）和標定。4.1 信號調

15、制與標定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 感應模塊封裝 感應模塊上的感應層必須緊密接觸要感應的介質，但又必須避免同介質直接接觸帶來的負作用，如應力引起輸出漂移，熱傳導，酸、離子、油氣等污染。Back UpSensata Technologies, Inc.簡介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控制領域的杰出業績吸引了Texas Instruments的注意，并直接導致了于1959年與TI正式合并。2006年4月27日轉讓給美國著名投資基金公司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部轉讓給貝恩投資（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務。 Sensata Technologies 的品質核心是來源于我們的員工和全球各地的業務中心為用戶和供應商提供的優質產品、技術創新和竭誠服務。這些也都是您所期望的，我們依然會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，我們在傳感器和控制器上90年的努力耕耘，讓我們可以同時擁有傳感器和控制器這樣廣泛的產品組合，使我們在專業技術領域的深度達到世界領先地位。作為一家獨立的新公司，“Sensata Technologies”將為我們全球的客戶，供應商和全體員工開啟新的契機。 我

19、們的email地址和網站域名都將變為S；然而發送至的email將會被轉入我們的域名，并且人們登陸/snc網址也將自動轉到我們新的網址。Sensata Technologies, Inc.商務和技術中心客戶服務銷售 / 市場設計新產品研發過程研發最具成本競爭力產地生產生產計劃制作 質量采購 專業中心全球市場全球化設計產品專門化全球化協作專門化管理最具成本競爭力生產地商務&技術中心荷蘭， AlmeloAttleboro, USA墨西哥，Aguascalientes中國 常州Sensata Technologies, Inc.Sensata Technologies, Inc. Campinas巴西Aguascalientes 墨西哥寶應，常州中國Chinchon韓國Kuala Lumpur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Seo