摘要： 隨著汽車電子的智能化發(fā)展， 傳感器變得越來越重要。 通過研究目前主流的壓力傳感器， 著重介紹陶瓷電容、 陶瓷電阻、 濺射薄膜、 硅應(yīng)變片、 硅壓阻等 5 類主流壓敏元件技術(shù)， 并闡述它們在汽車上的典型應(yīng)用。
現(xiàn)代化信息產(chǎn)業(yè)由信息系統(tǒng)“感官”的傳感器技術(shù)、信 息系統(tǒng)“神經(jīng)”的通信技術(shù)和信息系統(tǒng)“大腦”的計(jì)算機(jī)技術(shù)三大支柱技術(shù)構(gòu)成，其中傳感器的技術(shù)水平和品質(zhì)直接決定了信息技術(shù)系統(tǒng)的功能和發(fā)展水平。
傳感器 （GB ／ T 7665—2005） 是一種能夠感受規(guī)定的被 測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器按照功能可以分為壓 敏、溫敏、流體、光敏、聲敏、氣敏、化學(xué)等傳感器，其中 壓力傳感器在航空航天、軍事裝備、工程裝備、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療器械和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)都有著極其廣泛的應(yīng)用，也是各類傳感器中應(yīng)用面#廣、需求量#大的品種。 1 壓力傳感器在汽車行業(yè)的現(xiàn)狀在汽車電子行業(yè)中，汽車傳感器作為信息采集源，主要 應(yīng)用于動(dòng)力總成系統(tǒng)，車身控制系統(tǒng)以及底盤系統(tǒng)中，主要包括8類不同功能的傳感器：壓力傳感器、位置傳感器、溫 度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣 體濃度傳感器以及輪速傳感器。 壓力傳感器在汽車行業(yè)上使用量多，技術(shù)發(fā)展快。目前在汽車傳感器市場上使用的壓力傳感器根據(jù)壓敏元件的主流技術(shù)主要分為電容式壓力傳感器和電阻式壓力傳感器兩大類。
2 電容式壓力傳感器
2.1 電容式壓力傳感器的原理
陶瓷電容壓力傳感器［1，5，7］采用陶瓷膜片作為壓敏元件，陶瓷膜片和陶瓷基體分別制作成電容的兩極。當(dāng)外界壓力作用于陶瓷膜片時(shí)，陶瓷膜片發(fā)生變形，兩極之間的距離發(fā)生 改變，從而導(dǎo)致電容量改變，再通過特定的ASIC調(diào)理芯片， 輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號 （圖1）。
2.2 電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)
陶瓷電容技術(shù) （圖2） 從結(jié)構(gòu)上主要包含陶瓷基體和陶 瓷膜片兩大部分，采用高溫熔融的玻璃將陶瓷膜片和陶瓷基 體燒結(jié)在一起從而起到密封的作用。陶瓷基體和陶瓷膜片的 內(nèi)側(cè)都印刷有電極圖形 （圖3），從而形成一個(gè)可變電容。當(dāng) 測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時(shí)，陶瓷基 體和陶瓷膜片之間的電容量會(huì)隨壓力的變化而變化，特定的ASIC調(diào)理芯片通過設(shè)定好的轉(zhuǎn)換方程將測量到的電容信號轉(zhuǎn) 換為電壓信號。
2.3 電容式壓力傳感器在汽車行業(yè)的主要應(yīng)用
陶瓷電容技術(shù)具有成本適中、耐腐蝕性好、介質(zhì)兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢，采用陶瓷電容作為壓敏元件的壓力傳感器被廣泛 應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì)的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統(tǒng) （表1） 惡劣的工況環(huán)境。
3 電阻式壓力傳感器
3.1 電阻式壓力傳感器的原理 電阻式壓敏元件利用濺射或者微熔玻璃等方式將應(yīng)變電 阻固結(jié)在彈性膜片上組成惠斯通電橋。當(dāng)外界壓力作用于彈 性膜片時(shí)，膜片發(fā)生變形，應(yīng)變電阻的電阻值發(fā)生改變，從 而導(dǎo)致惠斯通電橋改變，再通過特定的ASIC調(diào)理芯片，輸出 標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號 （圖4）。
3.2 電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)
電阻式壓力傳感器利用應(yīng)變電阻的壓阻效應(yīng)，隨著MEMS技術(shù)的普及，根據(jù)彈性膜片的材料類型和應(yīng)變電阻的 封裝方式，可以分為陶瓷電阻式、濺射薄膜式、硅應(yīng)變片式 和硅壓阻式等4類。
3.2.1 陶瓷電阻式 （金屬應(yīng)變片） 結(jié)構(gòu)的壓敏元件
陶瓷電阻技術(shù)［2，5，7］ （圖5） 采用厚膜印刷工藝將應(yīng)變電 阻印刷在陶瓷基體的表面，應(yīng)變電阻組成惠斯通電橋 （圖 6）。當(dāng)測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時(shí)，金屬應(yīng)變片的壓敏電阻效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值隨著壓 力的變化而變化，特定的ASIC調(diào)理芯片通過設(shè)定好的轉(zhuǎn)換方程將測量到的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。
3.2.2 濺射薄膜式 （金屬 應(yīng)變片） 結(jié)構(gòu)的壓敏元件
濺射薄膜技術(shù)［3，4，7］ （圖 7） 采用離子濺射工藝將應(yīng)變特殊材料的金屬離子按 照特定的圖形印刷在不銹 鋼基體的表面生成金屬應(yīng) 變電阻，特殊材料的金屬離子生成的應(yīng)變電阻組成惠斯通電橋 （圖8）。當(dāng)不銹鋼膜片上承受的外界壓 力變化時(shí)，由于壓敏電阻效應(yīng)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變導(dǎo) 致惠斯通電橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信 號轉(zhuǎn)換為電壓信息輸出。
3.2.3 硅應(yīng)變片式結(jié)構(gòu)的壓敏元件
硅應(yīng)變片技術(shù)［5，7］ （圖9） 采用玻璃漿料將硅應(yīng)變計(jì)高溫 燒結(jié)在不銹鋼基體的表面，硅應(yīng)變片等效的4個(gè)電阻組成惠 斯通電橋 （圖10）。當(dāng)不銹鋼膜片上承受的外界壓力變化時(shí)， 由于壓敏電阻效應(yīng)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變導(dǎo)致惠斯通電 橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信息輸出。
3.2.4 硅壓阻式結(jié)構(gòu)的壓敏元件
硅壓阻技術(shù)［6，7］ （圖11） 利用半導(dǎo)體材料的壓阻特 性來實(shí)現(xiàn)，在硅膜片的表 面蝕刻出等效的電阻來組 成惠斯通電橋 （圖12）。當(dāng) 硅膜片上承受的外界壓力 變化時(shí)，由于壓敏電阻效 應(yīng)，硅膜片產(chǎn)生微小形變 導(dǎo)致惠斯通電橋的阻值發(fā)生變化，通過ASIC調(diào)理芯片將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。
3.3 電阻式壓力傳感器在汽車行業(yè)的主要應(yīng)用
電阻式技術(shù)具有體積小、量程范圍寬、溫度一致性好等優(yōu)勢，電阻式壓力傳感器被廣泛應(yīng)用在水、氣、液多種介質(zhì) 的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統(tǒng) （表2） 惡劣的工況環(huán)境。
4 結(jié)束語
汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)已經(jīng)在加快發(fā)展，減小和歐美日韓之間的差距。同時(shí)作為汽車工業(yè)的核心零部件之一的傳感器也在快速發(fā)展，文中幾種典型技術(shù)的壓 力傳感器市場，不僅有國際知名的企業(yè)，如Bosch、Conti、Sensata、NXP、Infineon、TE等，也有國內(nèi)的企業(yè)，如三暢儀表、上海 保隆、蘇州納芯微、昆山雙橋、無錫芯感智、重慶德爾森、湖南啟泰等。
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