MEMS壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上工業(yè)技術(shù)INDUSTRY TECHNOLOGYMEMS 壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用專心-專注-專業(yè)河南司法警官職業(yè)學(xué)院 滕敏汽車性能的不斷提升得益于汽車電子的不斷發(fā)展，而起核心作用的元件是傳感器。MEMS 壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子中，如 TPMS 壓力傳感器、進氣歧管壓力傳感器、大氣壓力傳感器、發(fā)動機機油壓力傳感器、安全氣囊用壓力傳感器等。MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器。本文中，筆者從安全和節(jié)能的角度考慮，介紹幾種 MEMS 壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用。一、發(fā)動機機油壓力傳感器機油壓力傳感器是用于測量

2、汽車發(fā)動機機油壓力的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車和人的安全。機油關(guān)系到發(fā)動機的潤滑、降低磨損、降溫和密封等方面，一旦機油壓力過低就會因缺油發(fā)生干摩擦，造成劇烈的磨損和發(fā)熱，可能損壞發(fā)動機，影響機車的正常運轉(zhuǎn)。一般國產(chǎn)汽車的生產(chǎn)廠家基本上是在發(fā)動機上安裝一個電位器式壓力傳感器，由一個波紋膜片和一個具有機械觸點的滑線電位器組成。由于此類壓力傳感器具有機械觸點，而汽車的應(yīng)用環(huán)境時有惡劣，高低溫差大、較大的顛簸和振動等，使得該傳感器的機械和電氣壽命都受到嚴重影響，這就使產(chǎn)品可靠性和壽命偏低，也是汽車壓力控制儀表裝置有待解決的問題。必須研制無觸點的此類傳感器，以取代傳統(tǒng)的電位器式油壓傳感器。近年來

3、，MEMS 技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計汽車傳感器提供了新的重要途徑。一些研究人員針對上述傳統(tǒng)機油壓力傳感器存在的問題，提出一種新型基于 MEMS 技術(shù)的壓力傳感器，對壓力敏感頭的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，開發(fā)出精度高、性能可靠的傳感器。壓力敏感頭是機油壓力傳感器的核心部件，是由 MEMS 壓力敏感芯片、波紋膜片、陶瓷底座、TO 底座、充油腔體及硅油等組成。在壓力敏感頭上裝上信號調(diào)理電路，并裝配在一個金屬外殼中，即可構(gòu)成機油壓力傳感器。MEMS 機油壓力傳感器不僅能夠替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品，直接與汽車的機油壓力指示表和低壓報警燈連接，指示出發(fā)動機的機油壓力和提供低壓報警信號，而且還具有無機械運動部件、耐高溫、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡

4、單、精度高、可靠性高、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，并且，符合汽車電子化發(fā)展的需求，是汽車油壓傳感器的一種理想的升級換代產(chǎn)品。二、輪胎壓力傳感器汽車在高速行駛的過程中，由于劇烈地振動、環(huán)境溫差較大以及道路上隨時檢修困難，導(dǎo)致輪胎故障較難預(yù)測，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因，防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。在我國，高速公路上 70的交通事故是由于爆胎引起的。如果輪胎不夠結(jié)實或者已經(jīng)有“傷”，就可能導(dǎo)致爆胎。實踐證明，輪胎充氣壓力高于或低于標準氣壓時，對行駛里程均有不利的影響，都會縮短汽車的使用壽命。所以預(yù)防爆胎就要防止輪胎缺氣和慢撒氣。除平時常用的輪胎養(yǎng)護方法外，目前，業(yè)界公認的防爆胎的有效方法就

5、是安裝汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。TPMS 一種通過放置于汽車輪胎內(nèi)的壓力傳感器實現(xiàn)監(jiān)測輪胎壓力情況的系統(tǒng)，主要用于在汽車行駛時，實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，當輪胎漏氣或低氣壓時會及時報警，以保障行車安全。與此同時，TPMS 也被用于保持標準輪胎氣壓，達到減少 輪 胎 磨 損 ，降 低 油 耗 的 目 的 。 目 前 ，TPMS 主 要 分 為 兩 種 類型。一種是間接式 TPMS，此系統(tǒng)通過汽車 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別（缺氣的輪胎轉(zhuǎn)速比正常輪胎轉(zhuǎn)速要快），以達到監(jiān)視胎壓的目的。另一種是直接式 TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的鋰電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，

6、通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，并對各輪胎氣壓進行顯示，當有異常時自動報警。直接式 TPMS 采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓，這些傳感器會通過射頻信號將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進行分析，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。但是，直接式用電池供電，壽命有限，電池處理也是問題，因此系統(tǒng)的低功耗節(jié)電是一個重要的課題，成為約束系統(tǒng)功能的瓶頸。只有在大多數(shù)時間讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，才能省電并延長電池壽命。此外，無源化也是 TPMS 發(fā)展的趨勢之一。三、進氣

7、歧管壓力傳感器進氣歧管壓力傳感器（MAP）是一種間接測量發(fā)動機進氣量的傳感器。為了適應(yīng)發(fā)動機在高速大負荷和低速小負荷時對供油量不同的需要，減少燃油泵不必要的機械磨損。MAP 根據(jù)發(fā)動機的負荷狀態(tài)測出進氣歧管內(nèi)絕對壓力的變化，并轉(zhuǎn)換成電壓信號，與轉(zhuǎn)速信號一起輸送到發(fā)動機電控單元，作為確定噴油器基本噴油量的依據(jù)。提高其動力性能，降低油耗，減少廢氣排放。MAP 的種類較多，就其信號產(chǎn)生原理可分為壓阻式、電容式、膜盒傳動的差動變壓器式和表面彈性波式等，在當今發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中,應(yīng)用最為廣泛的是半導(dǎo)體壓敏電阻式進氣歧管壓力傳感器。國產(chǎn)奧迪 100 型轎車（V6 發(fā)動機）、桑塔納 2000型轎車、北京切

8、諾基（2.5L 發(fā)動機）、豐田皇冠 3.0 轎車等均采用這種壓力傳感器。燃油噴射式發(fā)動機采用的歧管壓力傳感器主要有壓阻效應(yīng)68河南科技 2010.10 上三維測量技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用鄭州市熱力總公司 王企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)一般情況下是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上的二次開發(fā)，而更多情況下的新產(chǎn)品開發(fā)是沒有原來產(chǎn)品三維圖形的，而只有經(jīng)過改進的產(chǎn)品實物模型，這就要用到三維測量技術(shù)。通過三維測量設(shè)備可以快速采集到零部件特征點的空間尺寸，將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品逆向設(shè)計方法，可以快速地實現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)。本文中，筆者以三維測量儀為例，介紹新產(chǎn)品開發(fā)過程中利用三維測量儀進行數(shù)據(jù)采集及后期處理的基本過程。一、產(chǎn)品逆向設(shè)計簡

9、述逆向設(shè)計也稱反求設(shè)計，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法，重構(gòu)實物的 CAD 模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法不同，逆向設(shè)計是在沒有設(shè)計圖紙而有樣品的情況下，利用三維測量技術(shù)，準確快速地測量樣品表面數(shù)據(jù)或輪廓外形，加以點數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建，最終實現(xiàn)三維實體模型重構(gòu)。逆向設(shè)計在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下內(nèi)容：1.新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或仿形設(shè)計。2.現(xiàn)成零件測量及復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖及重構(gòu)三維式和電感式兩種。其壓力變換元件是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的硅膜片。硅膜片的一面是真空室，另一面導(dǎo)入進氣歧管壓力。硅膜片是邊長約為 3

10、mm 的正方形，其中部經(jīng)光刻腐蝕形成直徑約 2mm、厚約 50mm 的薄膜，薄膜周圍有 4 個應(yīng)變電阻，以單臂電橋的方式連接。由于薄膜一側(cè)是真空室，因此薄膜另一側(cè)即進氣歧管內(nèi)絕對壓力越高，硅膜片的變形也就越大，其應(yīng)變與壓力成正比，附著在薄膜上的應(yīng)變電阻阻值隨應(yīng)變成正比變化，這樣就可以利用惠斯頓電橋?qū)⒐枘て淖冃无D(zhuǎn)換成電信號。這種半導(dǎo)體壓敏電阻式進氣壓力傳感器輸出的信號電壓，具有隨進氣歧管絕對壓力的增大呈線性增大的特性，這種 4 個臂半導(dǎo)體應(yīng)變片接成差動電橋形式是目前進氣壓力傳感器最先進的一種。四、碰撞傳感器安全氣囊是一種當汽車遇到?jīng)_撞而急速時能很快膨脹的緩沖墊，從而降低撞擊對車內(nèi)乘客造成的傷害

11、，是一種被動安全裝置，具有不受約束、使用方便和美觀等優(yōu)點。安全氣囊系統(tǒng)主要包括碰撞傳感器、氣囊電腦、系統(tǒng)指示燈、氣囊組件以及連接線路。氣囊組件主要包括氣囊、氣體發(fā)生器以及點火器等。當汽車受到一定角度內(nèi)的高速碰撞時，控制器根據(jù)傳感器發(fā)出的加速度信號，識別和判斷碰撞的強度，當碰撞強度達到設(shè)計條件時，引爆氣囊的傳感器迅速觸動點火器引爆氮氣固態(tài)粒子，形成迅 速 膨 脹 的 氣 袋 ，將 人 體 與 車 內(nèi) 構(gòu) 件 之 間 的 碰 撞 變 為 彈 性 碰撞。通過氣囊產(chǎn)生變形和排氣節(jié)流來吸收人體碰撞產(chǎn)生的動能，從而達到保護人體的目的。以往只在高檔轎車選裝，目前汽數(shù)字化模型。3.損壞或磨損零件的還原，以便修

12、復(fù)或重制。4.產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形，檢測焊接質(zhì)量等，以及對加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模型之間的誤差進行分析。二、三維測量技術(shù)在產(chǎn)品逆向設(shè)計中的作用零件曲面數(shù)字化是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)，需要利用專用設(shè)備從實體中采集數(shù)據(jù)，三維測量儀（圖 1）可以完成產(chǎn)品逆向設(shè)計中曲面數(shù)字化的任務(wù)。坐標數(shù)據(jù)采集是從已有產(chǎn)品原型表面獲取三維數(shù)據(jù)點的過程，三維測量儀基于坐標測量原理，對產(chǎn)品曲面的測量包括點測量和掃描測量兩種數(shù)據(jù)采集模式。通常情況下對具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品應(yīng)采用掃描法進行測量，為實現(xiàn)掃描測量，需要定義工件坐標系和給定掃描的“起始點”、方向點”、終止點”和“掃描平面”等。利用三維測量儀對產(chǎn)品曲面進行數(shù)字

13、化測量時，首先要對產(chǎn)品曲面的特征進行分析，須對面片進行劃分和測量路徑規(guī)劃，提高測量效率和數(shù)據(jù)的有效性，達到在有限的曲面信息上構(gòu)造車上配置的氣囊數(shù)量有增多的趨勢，別克 1995 年推出的概念車XP2000 配備就有 8 個安全氣囊。實驗和實踐證明，汽車裝用安全氣囊后，汽車發(fā)生碰撞事故對駕駛員和乘員的傷害程度大大減小。對于各汽車制造廠生產(chǎn)的車輛，碰撞傳感器的安裝位置不盡相同，而且碰撞傳感器的不同結(jié)構(gòu)的名稱也不統(tǒng)一。根據(jù)碰撞類型的不同，安全氣囊可分為正面碰撞防護安全氣囊系統(tǒng)、側(cè)面碰撞防護安全氣囊系統(tǒng)和頂部碰撞防護安全氣囊系統(tǒng)。按照安全氣囊的觸發(fā)機構(gòu)可分為電子式和機電式兩種。電子式碰撞傳感器，目前常用的有電阻應(yīng)變計式和壓電效應(yīng)式兩種。它沒有電器觸點，在發(fā)生碰撞時應(yīng)變電阻發(fā)生變形，使電阻發(fā)生變化、傳感器輸出信號電壓發(fā)生變化，當電壓值超過預(yù)定值時，氣囊被觸發(fā)；或者壓電晶體在碰撞時發(fā)生變化而使輸出電壓變化，當變化的電壓達到預(yù)定值，氣囊被觸發(fā)。電子控制式 SRS 安全氣囊系統(tǒng)采用的碰撞傳感器按功能