АК ДВНЗ КНУ

Датчики давления Pressure Sensors

Два важнейших типа датчиков давления, актуальных сегодня в любом новом автомобиле, — это датчик давления воздуха во впускном патрубке двигателя manifold air pressure sensor (MAP, 1–5 бар), который используется в системах powertrain для регулирования соотношения ТВС, и tire pressure sensor (TPS), предназначенный для проверки оптимального давления в шинах (до 5 бар) для повышения безопасности.

MAP разрешает вывод масс воздуха, поступающих в двигатель, и допускает определение топлива и опережение зажигания, необходимые для оптимальной работы. Каждый автомобиль, использующий прямое измерение массового расхода, включает и датчик барометрического абсолютного давления barometric absolute pressure (BAP) sensor, необходимый для компенсации высоты.

Новые применения для датчиков давления, созданных, как правило, на основе интегральных датчиков:

• контроль давления в системах EGR;
• контроль утечки в топливной системе, утечки топлива в бензобаке для контроля эмиссии летучих паров и диагностики фильтра (≈0,5 бар или 0–100 мбар дифф.);
• давление в системе впрыска топлива (рис. 4);
•  
• Рис. 4. Примеры автомобильных датчиков давления (систем Powertrain и контроля эмиссии): а — датчик MAP Bosch с микромеханической сенсорной ячейкой; б — интегральный кремниевый пьезорезистивный датчик MAP Bosch; в–н — датчики давления Kavlico Corporation: в — датчик абсолютного давления MAP Kavlico (слева) и датчик SiemensVDO (справа) абсолютного давления MAP-TMAP; г — полностью погружаемый датчик давления трансмиссионных жидкостей с пьезорезистивным элементом; д — датчик дифференциального давления для измерения скорости расхода и состояния клапана EGR с одновременным MAP-сигналом (INCAP-технология); е — датчик давления пара топлива в бензиновом баке (для определения утечки согласно OBDII); ж — датчик давления непосредственного впрыска бензинового двигателя GDI (с тонкопленочным элементом) до 3000 psi и контроля выхлопов топлива CNG (внешний вид идентичен); з — датчики высокого давления топливной магистрали для бензиновых и дизельных двигателей (Common-rail) с непосредственным впрыском GDI и DDI; и — датчик высокого давления (магистралей Common-rail и трансмиссии) с датчиком температуры P5000 — на основе тонкопленочных резисторов, напыленных на металлическую диафрагму; к — датчик P2000 с керамическим элементом на прочной основе для контроля систем рециркуляции выхлопных газов в жестких температурных и окружающих условиях до +155 °C; л — датчик давления впрыска мочевины для дозирующих блоков мочевины и воздуха каталитического конвертера систем SCR (Selective Catalytic Reduction) грузовиков; м — датчик давления масла двигателя для измерения масла двигателя (бензинового или дизельного) с керамическим емкостным или пьезорезистивным сенсорным элементом; н — датчик давления с интегрированным датчиком температуры для альтернативных автомобильных двигателей CNG/LPG (сжатый и сжиженный газы); о — датчики давления Honeywell для применений: DDI, GDI, MAP, TMAP, EGR; п — датчик абсолютного давления SiemensVDO для применения в грузовиках 3–6 бар; р — дифференциальный датчик давления SiemensVDO для контроля утечки топлива и диагностики фильтра (0–100 мбар дифф.); с — датчики давления SSI Technologies для OEM-применений (в диапазоне 15–3000 psi); т — интегральные кремниевые пьезорезистивные датчики абсолютного давления (60–115) кПа SMD085 Bosch; у — пьезорезистивная ячейка интегрального пьезорезистивного датчика давления MP3H6115A Freescale в корпусе SSOP; ш — датчик давления в цилиндрах SiemensVDO; щ — датчик давления в цилиндрах (Incylinder Pressure Sensor) Honeywell

Для автомобильных датчиков давления существуют и многие другие применения:

• давление в камере сгорания — 100 бар¹;
• давление воздуха в подвеске (160 бар) и амортизаторах (200 бар);
• управляющее давление автоматической трансмиссии (35 бар) и давление смазочной жидкости трансмиссии 100–700 psi² и более;
• давление в тормозных цилиндрах (200 бар);
• давление в электропневматических и гидравлических тормозах;
• давление масла двигателя (50 мбар – 2 бар);
• давление охладителя;
• контроль электрического рулевого управления;
• давление впрыска в обычном бензиновом двигателе (5–6 бар);
• давление впрыска в дизеле (1000 бар);
• топливная инжекция под высоким давлением: давление в магистрали систем Commonrail двигателей с искровым зажиганием (100–200 бар) и дизельных (1400–2800 бар);
• давление в топливной магистрали газовых двигателей;
• давление при развертывании воздушных подушек безопасности;
• давление веса пассажира;
• системы кондиционирования воздуха и т. д.

Среди технологий, используемых для датчиков давления, сегодня наиболее востребованы MEMS-технологии пьезорезистивных датчиков, альтернативой которым считаются емкостные кремниевые MEMS- или керамические датчики [12]. В конструкциях современных MAP/BAP-датчиков преобладают интегральные микромеханические кремниевые пьезорезистивные датчики давления.

Рис. 4. Примеры автомобильных датчиков давления (систем Powertrain и контроля эмиссии): ф — интегральный программируемый датчик MLX90269 Melexis: внешний вид и функциональная диаграмма

Мировые лидеры в производстве автомобильных датчиков давления — Bosch, Honeywell, Freescale, General Electric Company, Kavlico, Melexis, SiemensVDO, Texas Instruments и другие компании.

Различают датчики абсолютного давления, дифференциальные датчики и так называемые датчики относительного давления Gauge Pressure. Датчики абсолютного давления измеряют внешнее давление относительно нулевого опорного уровня (вакуума) в опорной камере, что соответствует при одной атмосфере 14,5 psi. Дифференциальные датчики измеряют разницу давлений, приложенных одновременно к противоположным сторонам диафрагмы. Gauge Pressure — это специальный дифференциальный датчик, в котором измеряемое давление приложено к одной стороне, а к другой стороне приложено атмосферное давление или вакуумное (Vacuum Gauge Pressure).

Датчики MAP — датчики абсолютного давления воздуха во впускном патрубке двигателя (позади дроссельного клапана), по сигналам которых ECU рассчитывает количество топлива для каждого цилиндра, что важно для уменьшения эмиссии.

Так, MAP-датчики с пьезорезистивным сенсорным элементом выпускают компании Bosch, Kavlico, SiemensVDO (рис. 4).

Kavlico разрабатывает и производит широкую линейку датчиков для различных применений, начиная с измерения давления жидкости трансмиссии и систем EGR и заканчивая контролем топливной инжекции под высоким давлением в бензиновых и газовых двигателях, используя как емкостную керамическую, так и пьезорезистивную тонкопленочную технологию в сочетании с технологией кремниевых однокристальных интегрированных MEMS-датчиков с программируемыми ASIC (рис. 4 в–н).

Широкую линейку датчиков давления выпускает и компания Honeywell (рис. 4о), включая абсолютные, дифференциальные или gauge-типы датчиков в диапазонах до 300 psi, кремниевые пьезорезистивные MEMS-модули и датчики в различных корпусах с ASIC.

SiemensVDO выпускает датчики давления воздуха MAP: T-MAP (T-MAP — с интегрированным датчиком температуры) и MAP-BAP (рис. 4в, п–р) на основе поверхностного микромеханического метода с емкостной сенсорной ячейкой, по биполярной КМОП-технологии. Модульный дизайн датчика с возможностью калибровки рассчитан на различные применения и диапазоны давлений — от дифференциального давления в 100 мбар (рис. 4с) до 3,5 бар (турбо MAP).

Для применений в грузовиках SiemensVDO изготавливает датчик абсолютного давления с пьезорезистивной ячейкой (3–6 бар) (рис. 4р).

Известный OEM-производитель — компания SSI Technologies (рис. 4с); выпуском датчиков давления занимаются также и многие другие компании.

Для новых MAP - и других автомобильных датчиков наиболее актуальны интегральные полупроводниковые датчики, включающие компенсационные схемы и, по возможности, перепрограммируемую память для калибровки. Стандартный выходной интерфейс датчиков давления— аналоговый выход напряжения, пропорциональный давлению. Однако и для этих устройств актуальна тенденция перехода к цифровым интерфейсам, общая для всех автомобильных датчиков.

Обе технологии, как пьезорезистивная, так и емкостная, позволяют производить интегральные однокристальные кремниевые датчики, объединяющие на одной подложке объемную микромеханическую ячейку и ASIC.

SMD085 (рис. 4т) — пьезорезистивный микромеханический датчик давления в SMD-корпусе от Bosch. Это один из первых интегральных прецизионных датчиков барометрического воздушного давления для систем управления дизельными или бензиновыми двигателями. Схема SMD085 реализована по биполярной технологии и включает: интегрированный сенсорный элемент, логический контрольный блок, схему температурной компенсации и схему компенсации смещения. Выходное напряжение варьируется в диапазоне 2,37–4,54 В для диапазона давлений 60–115 кПа. ИС характеризуется высокой степенью защиты от электростатического разрушения. Благодаря полностью интегрированной схеме дополнительные внешние компоненты не требуются.

Freescale выпускает широкую линейку пьезорезистивных интегральных датчиков давления трех уровней интеграции. Базовое сенсорное устройство обеспечивает нескомпенсированные измерения, следующий уровень сформирован устройствами с интегрированной компенсацией, третий уровень представлен полностью интегрированными датчиками. Скомпенсированные датчики (серия 2000) предлагаются в версиях, включающих схемы температурной компенсации и калибровки; интегрированные устройства (серии 4000, 5000, 6000) предусматривают все компенсационные функции и обработку сигнала. Каждое сенсорное семейство представлено в версиях абсолютного, дифференциального давления и относительного давления и в различных корпусах. Эти датчики измеряют давления до 150 psi (1000 кПа).

MPX4100A/MPXA4100A, MP3H6115A Freescale, MPXH6400A (и многие другие) — пьезорезистивные кремниевые интегральные датчики для MAP, реализованные по биполярной технологии с интегрированным MEMS-элементом, тонкопленочной резисторной сетью и операционным усилителем; например, MP3H6115A (рис. 4у) или MPXH6400A — устройства в наименьших по размерам корпусах SSOP. Компанией Freescale разработаны и многие другие датчики для широкого диапазона автомобильных задач, в том числе MPX5999D (0–1000 кПа), предназначенный для различных применений, включая полуактивную подвеску. Датчики давления накачки шин серии MPXY8000 представляют собой полностью интегральные однокристальные устройства с цифровым выходом в малом корпусе, которые используют емкостной измерительный принцип и измеряют диапазоны давлений от 250 до 900 кПа. Эти датчики реализованы по стандартной КМОП-технологии и включают поверхностную микромеханическую емкостную ячейку и EEPROM, а также датчик температуры, размещенные на одном чипе.

MLX90269 (рис. 4ф) — программируемый интегральный датчик абсолютного давления от Melexis, реализованный по стандартной КМОП-технологии с пьезорезистивными микромеханическими элементами. ИС интегрирует датчик давления и схему обработки сигнала на одном кристалле. Датчик включает аналоговую цепочку обработки сигнала с цифровым ядром и интегрированным датчиком температуры — для обеспечения однородности характеристики после калибровки и отмены дрейфов температурно-зависимых параметров. Его основное назначение — применение в датчиках MAP, но он может использоваться и для определения давления масла и воды. Для того чтобы достигнуть минимальных ошибок (±1%), в MLX90269 применяется 3-точечная калибровка температуры и 2-точечная — давления. Выход представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное давлению в диапазоне от 1,2 до 3 бар или от 3 до 7 бар.

Для автомобильных применений (например, насосов) Melexis выпускает программируемый датчик MLX90257 относительного давления в диапазонах от 1,2 до 3 бар, от 3 до 7 бар или от 7 до 10 бар.

Для работы в условиях чрезвычайно высоких давлений в магистралях впрыска бензиновых или дизельных двигателей Commonrail диафрагмы датчиков изготавливаются обычно из высококачественной пружинной стали, что предохраняет их от разрыва. Применение металлической или поликремниевой диафрагмы позволяет получить более долговечные и надежные датчики, как правило, в металлическом корпусе, которые также могут включать ASIC для компенсации, усиления и калибровки (рис. 4 ж–и, о).

Siemens VDO разработала датчик давления в цилиндрах (рис. 4ш), встраиваемый в соединитель запальной свечи Glow Plug Combustion Sensor или glow plug cylinder pressure sensor, который измеряет давление в течение циклов сжатия и горения. (Аналогичная разработка, показанная на рис. 4щ, выполнена компанией Honeywell.) Датчик Siemens VDO помогает вычислять количество необходимого в процессе инжекции топлива, способствуя тем самым уменьшению эмиссии, а также увеличивать мощность двигателя и снижать потребление топлива. Рабочий принцип основан на измерении деформации головки цилиндра, наводимой давлением в цилиндре (косвенный метод). Датчик существует в активной версии, допускающей калибровку, с керамическим нагревательным элементом.

Прямое управление давлением в цилиндрах, как уже упоминалось, может исключить необходимость датчика массового расхода воздуха, датчика положения распределительного вала и датчика детонации.

¹ 1 бар≈1 атм. = 105 кПа

² 1 атм.≈14,5 psi