Сайт ОРТЗ

Два найважливіших типи датчиків тиску, актуальних сьогодні в будь-якому новому автомобілі, - це датчик тиску повітря у впускному патрубку двигуна manifold air pressure sensor (MAP, 1-5 бар), який використовується в системах powertrain для регулювання співвідношення ТВС і tire pressure sensor ( TPS) призначений для перевірки оптимального тиску в шинах (до 5 бар) для підвищення безпеки.

MAP дозволяє виведення мас повітря, що надходять у двигун, та допускає визначення палива та випередження запалення, необхідні для оптимальної роботи. Кожен автомобіль, що використовує прямий вимірювання масової витрати, включає датчик барометричного абсолютного тиску barometric absolute pressure (BAP) sensor, необхідний для компенсації висоти.

Нові застосування для датчиків тиску, створених, як правило, на основі інтегральних датчиків:

  • контроль тиску у системах EGR;
  • контроль витоку в паливній системі, виток палива в бензобаку для контролю емісії летких парів та діагностики фільтра (≈0,5 бар або 0–100 мбар дифф.);
  • тиск у системі упорскування палива (рис. 4);
    ортз
  • Мал. 4. Приклади автомобільних датчиків тиску (систем Powertrain та контролю емісії): а — датчик MAP Bosch з мікромеханічним сенсорним осередком; б - інтегральний кремнієвий п'єзорезистивний датчик MAP Bosch; в-н - датчики тиску Kavlico Corporation: - датчик абсолютного тиску MAP Kavlico (ліворуч) і датчик SiemensVDO (праворуч) абсолютного тиску MAP-TMAP; г — датчик тиску трансмісійних рідин, що повністю занурюється, з п'єзорезистивним елементом; д – датчик диференціального тиску для вимірювання швидкості витрати та стану клапана EGR з одночасним MAP-сигналом (INCAP-технологія); е - датчик тиску пари палива в бензиновомубаку (для визначення витоку згідно з OBDII); ж - датчик тиску безпосереднього упорскування бензинового двигуна GDI (з тонкоплівковим елементом) до 3000 psi та контролю вихлопів палива CNG (зовнішній вигляд ідентичний); з - датчики високого тиску паливної магістралі для бензинових та дизельних двигунів (Common-rail) з безпосереднім упорскуванням GDI та DDI; і - датчик високого тиску (магістралей Common-rail та трансмісії) з датчиком температури P5000 - на основі тонкоплівкових резисторів, напилених на металеву діафрагму; до — датчик P2000 з керамічним елементом на міцній основі для контролю систем рециркуляції вихлопних газів у жорстких температурних та навколишніх умовах до +155 °C; л - датчик тиску упорскування сечовини для дозуючих блоків сечовини та повітря каталітичного конвертера систем SCR (Selective Catalytic Reduction) вантажівок; м - датчик тиску масла двигуна для вимірювання масла двигуна (бензинового або дизельного) з керамічним ємнісним або п'єзорезистивним сенсорним елементом; н - датчик тиску з інтегрованим датчиком температури для альтернативних автомобільних двигунів CNG/LPG (стислий та скраплений гази); про - датчики тиску Honeywell для застосування: DDI, GDI, MAP, TMAP, EGR; п - датчик абсолютного тиску SiemensVDO для застосування у вантажівках 3-6 бар; р - диференціальний датчик тиску SiemensVDO для контролю витоку палива та діагностики фільтра (0-100 мбар дифф.); c) датчики тиску SSI Technologies для OEM-застосувань (в діапазоні 15-3000 psi); т - інтегральні кремнієві п'єзорезистивні датчики абсолютного тиску (60-115) кПа SMD085 Bosch; у — п'єзорезистивний осередок інтегрального п'єзорезистивного датчика тиску MP3H6115A Freescale в корпусі SSOP; ш - датчик тиску в циліндрах SiemensVDO; щ - датчик тиску вциліндрах (Incylinder Pressure Sensor) Honeywell

Для автомобільних датчиків тиску існують і багато інших застосувань:

  • тиск у камері згоряння - 100 бар 1;
  • тиск повітря в підвісці (160 бар) та амортизаторах (200 бар);
  • керуючий тиск автоматичної трансмісії (35 бар) та тиск мастильної рідини трансмісії 100-700 psi 2 і більше;
  • тиск у гальмівних циліндрах (200 бар);
  • тиск в електропневматичних та гідравлічних гальмах;
  • тиск олії двигуна (50 мбар - 2 бар);
  • тиск охолоджувача;
  • контроль електричного кермового керування;
  • тиск упорскування у звичайному бензиновому двигуні (5–6 бар);
  • тиск упорскування в дизелі (1000 бар);
  • паливна інжекція під високим тиском: тиск у магістралі систем Commonrail двигунів з іскровим запаленням (100-200 бар) та дизельних (1400-2800 бар);
  • тиск у паливній магістралі газових двигунів;
  • тиск під час розгортання повітряних подушок безпеки;
  • тиск ваги пасажира;
  • системи кондиціювання повітря тощо.

Серед технологій, що використовуються для датчиків тиску, сьогодні найбільш затребувані MEMS-технології п'єзорезистивних датчиків, альтернативою яким вважаються ємнісні кремнієві MEMS або керамічні датчики [12]. У конструкціях сучасних MAP/BAP-датчиків переважають інтегральні мікромеханічні кремнієві п'єзорезистивні датчики тиску.

Мал. 4. Приклади автомобільних датчиків тиску (систем Powertrain та контролю емісії): ф - інтегральний програмований датчик MLX90269 Melexis: зовнішній вигляд та функціональна діаграма

Світові лідери у виробництві автомобільних датчиків тиску - Bosch,Honeywell, Freescale, General Electric Company, Kavlico, Melexis, SiemensVDO, Texas Instruments та інші компанії.

Розрізняють датчики абсолютного тиску, диференціальні датчики та так звані датчики відносного тиску Gauge Pressure. Датчики абсолютного тиску вимірюють зовнішній тиск щодо нульового опорного рівня (вакууму) в опорній камері, що відповідає за однієї атмосфери 14,5 psi. Диференціальні датчики вимірюють різницю тисків, доданих одночасно до протилежних сторін діафрагми. Gauge Pressure - це спеціальний диференціальний датчик, в якому вимірюваний тиск прикладено до однієї сторони, а до іншої сторони прикладено атмосферний тиск або вакуумний (Vacuum Gauge Pressure).

Датчики MAP – датчики абсолютного тиску повітря у впускному патрубку двигуна (ззаду дросельного клапана), за сигналами яких ECU розраховує кількість палива для кожного циліндра, що важливо для зменшення емісії.

Так, MAP-датчики із п'єзорезистивним сенсорним елементом випускають компанії Bosch, Kavlico, SiemensVDO (рис. 4).

Kavlico розробляє і виробляє широку лінійку датчиків для різних застосувань, починаючи з вимірювання тиску рідини трансмісії і систем EGR і закінчуючи контролем паливної інжекції під високим тиском в бензинових і газових двигунах, використовуючи як ємнісну керамічну, так і п'єзорезистивну тонкоплівкову технологію. інтегрованих MEMS-датчиків із програмованими ASIC (рис. 4 в-н).

Широку лінійку датчиків тиску випускає і компанія Honeywell (рис. 4о), включаючи абсолютні, диференціальні або gauge-типи датчиків в діапазонах до 300 psi, кремнієві п'єзорезистивні MEMS-модулі та датчики в різних корпусахASIC.

SiemensVDO випускає датчики тиску повітря MAP: T-MAP (T-MAP — з інтегрованим датчиком температури) та MAP-BAP (рис. 4в, п–р) на основі поверхневого мікромеханічного методу з ємнісним сенсорним осередком, за біполярною КМОП-технологією. Модульний дизайн датчика з можливістю калібрування розрахований на різні застосування та діапазони тисків - від диференціального тиску 100 мбар (рис. 4с) до 3,5 бар (турбо MAP).

Для застосування у вантажівках SiemensVDO виготовляє датчик абсолютного тиску з п'єзорезистивним осередком (3-6 бар) (рис. 4р).

Відомий OEM-виробник - компанія SSI Technologies (рис. 4с); випуском датчиків тиску займаються також багато інших компаній.

Для нових MAP - та інших автомобільних датчиків найбільш актуальні інтегральні напівпровідникові датчики, що включають компенсаційні схеми і, по можливості, пам'ять для калібрування, що перепрограмується. Стандартний вихідний інтерфейс датчиків тиску - аналоговий вихід напруги, пропорційний тиску. Однак і для цих пристроїв актуальна тенденція переходу до цифрових інтерфейсів, загальна всім автомобільним датчикам.

Обидві технології, як п'єзорезистивна, так і ємнісна, дозволяють виробляти інтегральні однокристальні кремнієві датчики, що об'єднують на одній підкладці об'ємну мікромеханічну комірку та ASIC.

SMD085 (рис. 4т) - п'єзорезистивний мікромеханічний датчик тиску в SMD-корпусі від Bosch. Це один із перших інтегральних прецизійних датчиків барометричного повітряного тиску для систем керування дизельними або бензиновими двигунами. Схема SMD085 реалізована за біполярною технологією та включає: інтегрований сенсорний елемент, логічний контрольний блок, схему температурної компенсації та схему компенсаціїусунення. Вихідна напруга варіюється в діапазоні 2,37-4,54 для діапазону тисків 60-115 кПа. ІВ характеризується високим ступенем захисту від електростатичного руйнування. Завдяки повністю інтегрованій схемі додаткові зовнішні компоненти не потрібні.

Freescale випускає широку лінійку п'єзорезистивних інтегральних датчиків тиску трьох рівнів інтеграції. Базовий сенсорний пристрій забезпечує некомпенсовані виміри, наступний рівень сформований пристроями з інтегрованою компенсацією, третій представлений повністю інтегрованими датчиками. Скомпенсовані датчики (серія 2000) пропонуються у версіях, що включають схеми температурної компенсації та калібрування; інтегровані пристрої (серії 4000, 5000, 6000) передбачають усі компенсаційні функції та обробку сигналу. Кожне сенсорне сімейство представлене у версіях абсолютного, диференціального тиску та відносного тиску та у різних корпусах. Ці датчики вимірюють тиск до 150 psi (1000 кПа).

MPX4100A/MPXA4100A, MP3H6115A Freescale, MPXH6400A (і багато інших) — п'єзорезистивні кремнієві інтегральні датчики для MAP, реалізовані за біполярною технологією з інтегрованим MEMS-елементом, тонкоплівковою резисторною мережею; наприклад, MP3H6115A (рис. 4у) або MPXH6400A — пристрої найменших за розмірами корпусах SSOP. Компанія Freescale розробила і багато інших датчиків для широкого діапазону автомобільних завдань, у тому числі MPX5999D (0–1000 кПа), призначений для різних застосувань, включаючи напівактивну підвіску. Датчики тиску накачування шин серії MPXY8000 є повністю інтегральними однокристальними пристроями з цифровим виходом у малому корпусі, які використовують ємнісний вимірювальний.принцип та вимірюють діапазони тисків від 250 до 900 кПа. Ці датчики реалізовані за стандартною КМОП-технологією та включають поверхневу мікромеханічну ємнісну комірку та EEPROM, а також датчик температури, розміщені на одному чіпі.

MLX90269 (рис. 4ф) - програмований інтегральний датчик абсолютного тиску від Melexis, реалізований за стандартною КМОП-технологією з п'єзорезистивними мікромеханічними елементами. ІС інтегрує датчик тиску та схему обробки сигналу на одному кристалі. Датчик включає аналоговий ланцюжок обробки сигналу з цифровим ядром та інтегрованим датчиком температури – для забезпечення однорідності характеристики після калібрування та скасування дрейфів температурно-залежних параметрів. Його основне призначення - застосування в датчиках MAP, але він може використовуватися і для визначення тиску олії та води. Для того, щоб досягти мінімальних помилок (±1%), в MLX90269 застосовується 3-точкове калібрування температури і 2-точкове тиску. Вихід являє собою аналогову напругу, пропорційну тиску в діапазоні від 1,2 до 3 бар або від 3 до 7 бар.

Для автомобільних застосувань (наприклад, насосів) Melexis випускає програмований датчик MLX90257 відносного тиску в діапазонах від 1,2 до 3 бар, від 3 до 7 бар або від 7 до 10 бар.

Для роботи в умовах надзвичайно високих тисків у магістралях упорскування бензинових або дизельних двигунів Commonrail діафрагми датчиків виготовляються зазвичай з пружинної високоякісної сталі, що оберігає їх від розриву. Застосування металевої або полікремнієвої діафрагми дозволяє отримати більш довговічні та надійні датчики, як правило, у металевому корпусі, які також можуть включати ASIC для компенсації, посилення та калібрування (рис. 4 ж-і, о).

SiemensVDO розробила датчик тиску в циліндрах (рис. 4ш), що вбудовується в з'єднувач запальної свічки Glow Plug Combustion Sensor або glow plug cylinder pressure sensor, який вимірює тиск протягом циклів стиснення та горіння. (Аналогічна розробка, показана на рис. 4щ, виконана компанією Honeywell.) Датчик Siemens VDO допомагає обчислювати кількість необхідного в процесі інжекції палива, сприяючи тим самим зменшенню емісії, а також збільшувати потужність двигуна та знижувати споживання палива. Робочий принцип ґрунтується на вимірі деформації головки циліндра, що наводиться тиском у циліндрі (непрямий метод). Датчик існує в активній версії, що припускає калібрування, з керамічним нагрівальним елементом.

Пряме керування тиском у циліндрах, як уже згадувалося, може виключити необхідність датчика масової витрати повітря, датчика положення розподільчого валу та датчика детонації.