“MEMS压力传感器在汽车中的应用”

汽车电控系统遵循常规控制系统的基本逻辑，包括感知、控制、执行三个环节。 传感器作为获取系统和环境状态的感知手段，控制手段结合传感器输入信号和控制逻辑计算输出控制指令，执行器完成相应的动作，形成闭环控制。

汽车的传感器种类很多，按传感器类别有压力、温度、气体、加速度、立场、位置、转速等。 除此之外，还包括照相机、雷达等新的传感器子系统。

以压力传感器为例，广泛应用于发动机管理系统、舒适系统、传动系统、安全系统等。 其中，mems压力传感器由于具有尺寸小、灵敏度高、价格低等优势，在5~500kpa档位的中低压管路应用中占有首要地位。 mems压力传感器通常通过硅基实现信号感知，通过信号调理电路实现传感器器件的小信号校正、放大、线性化等解决，根据后端系统的诉求提供不同的信号输出形式。 一般的传感器器件的实现有压电电阻式和静电电容式两种方法。 压阻式可以实现绝对压力、差压等不同的信号测量方法，但电容式产品一般只适用于绝对压力信号测量。 本文介绍了mems压力传感器在汽车上的典型应用。

图1 )符合国六标准的动力总成和燃料供给系统的mems压力传感器

以发动机管理系统为例，所采用的mems压力传感器如图1所示，由进气压传感器tmap(1&； 2 )涡轮增压压力传感器egr tmap(3) 3、排气差压传感器dpf/gpf(4) 4、罐蒸发泄漏压力传感器evap(5) 5、罐装卸压力传感器) 6、排气回收系统压力传感器

图2 :典型的tmap传感器的结构图

吸气压力传感器典型结构如图2所示，一般所需的压力范围为10-115kpa、10-250kpa、50-400kpa，分别适用于自然吸气发动机、涡轮增压发动机、带egr排气再循环的发动机系统， 进气压力传感器是燃烧控制系统的重要信号反馈，一般对压力检测的精度和动态响应时间要求较高，但输出一般使用0~5v模拟电压的比例输出形式。 因此，在ecu的adc和压力传感器中使用相同的vdd作为基准电压，可以消除电源电压vdd变动引起的误差，但在汽车电子系统中难以完全消除电源变动。

除此之外，随着汽车电子总线化的趋势和车载传感器数量和精度要求的提高，sent接口传感器被更多地采用，特别是在powertrain系统中。 sent协议最初由通用汽车企业发起，后来成为sae j2716标准，在汽车电子上得到广泛应用。 由于其点对点、单向传输的特点，具有价格优于can或lin接口的特点，不需要专用的收发机，且具有良好的传输速度。 此外，由于采用单线形式，传感器只有电源、地线、信号线，可以顺利地将前所未有的模拟电压输出传感器升级为sent输出形式，线束、针脚等变更少，具有越来越多的故障诊断和数据传输能力，

与普通ic相比，mems压力传感器除了原理不同外，应用环境也有非常大的差异。 以吸气压力传感器为例，测量的不是电量而是物理量。 传感器需要将变化的气压导入mems感应膜的特殊封装，但汽车的应用环境判断其环境中含有各种潜在的水蒸气和腐蚀性成分，需要在mems感应膜上涂上保护介质。 为了实现压力变化的传播，保护传感器元件不受环境的影响，需要在全温区和全压力范围内保证良好的精度性能和长时间的可靠性。 一般汽车的mems进气压传感器的工作范围涵盖在-40℃~125℃之间，像带排气再循环egr系统的发动机一样，进气口含有排气成分，也带来更高的温度挑战和卤素等化学成分的侵蚀挑战。

图3 )油箱蒸发泄漏压力传感器的结构示意图

蒸发泄漏压力传感器是燃料蒸气管理系统EVAP(evaporativeemissionsystem )的重要组成部分，其典型结构如图3所示。 油箱发生燃料蒸发，一般的燃料系统中设有吸附油气的活性炭箱，活性炭箱有一定的解吸压力。 研究表明，油气蒸发排放是汽车排放voc的最大来源，也是城市产生雾霾、pm2.5等污染物的最重要来源。 美国在汽车排放方面较早使用了严格的标准，中国的“国六”标准对排放指标的要求进一步提高，与燃料蒸汽压力传感器相结合的碳罐拆装压力传感器成为必然选择。

其中，碳罐拆装压力传感器的范围小，一般ice内燃机发动机系统采用的范围为-3.75kpa~1.25kpa，测量值为油箱内相对于外部空气的压力差，满范围仅为5kpa，属于测量表压 其小的测量范围对mems压力传感器自身的性能和封装与校准有很大的挑战，且应用环境为油箱系统，因此传感器必须满足对汽油蒸汽等腐蚀性的耐受性，并且具有宽温度补偿能力。 与之配合，还采用了碳罐拆装压力传感器，其测量范围与tmap进气压力传感器相似，通常为115kpa的绝对压力。

尾气后解决系统也是“国六”标准的关注点，为了进一步降低排放量，提高燃烧效率，增加了一系列传感器、执行器、控制战略。 典型的mems压力传感器是监视粒子状物质捕捉器状态的差压传感器，该粒子状物质捕捉器在柴油发动机系统中称为dpf，在汽油发动机系统中称为gpf。

图4:dpf排气差压传感器的结构图

以柴油发动机系统为例，图4是典型的dpf排气差压传感器的结构图。 该差压传感器总成结构上带有两根管子，分别安装软管与dpf收集器的前后两侧连接，根据内部结构，两端的压力差分别与mems传感器板的两侧发生反应。

dpf堵塞后，其前后端的压力差非常明显，dpf差压传感器的典型范围为100kpa，一般为比例输出的模拟电压信号，该传感器的应用环境条件较差，需要考虑排气中的高温和腐蚀性成分对传感器的影响进行设计。

纳米核微nspas1和nspas3系列的一体化压力传感器使用sop8封装，集成mems和asic，在出厂前进行校准，灵活配置输出曲线，因此可以灵活满足各种APP的压力传感器需求 与恶劣的介质相比，纳米核微可以提供绝对压力的pt白金mems晶片nsp163x，nsp163x具有极高的可靠性和介质耐受性，是应用于恶劣介质环境的理想选择。

纳米芯nspgm系列集成表压传感器方案可以应用于燃料蒸汽压力计压力测量以及dpf和gpf排气压差测量等行业，与压差pt白金mems晶片nsp183x组合可以满足排气和油气腐蚀性环境的特殊要求。

除了上述燃料汽车传感器的应用外，纳芯微型mems压力传感器还可以应用于hev混合动力汽车和bev纯电动汽车。 例如，发动机停机功能和混合动力汽车的制动辅助系统可以使用mems压力传感器检测真空度，新能源汽车可以使用mems压力传感器检测电池组的压力，用于热失控报警。

综上所述，纳米电子学可以提供适合于上述多种APP应用的各方面的处理方案，如mems传感器、asic信号调理芯片、经过补偿校准的集成传感器芯片或定制模块形式等。 另外，还可以提供针对恶劣介质腐蚀的贵金属mems和sent、lin等多种接口asic和比较应用进行优化的灵活处理方案，可以满足汽车严格的应用和可靠的应用要求。