Уебсайт на ORTZ

Двата най-важни типа датчици за налягане, които са актуални днес във всеки нов автомобил, са датчикът за въздушно налягане в колектора (MAP, 1-5 бара), който се използва в системите за задвижване за регулиране на съотношението на горивния агрегат и сензорът за налягането в гумите ( TPS), предназначен за проверка на оптималното налягане в гумите (до 5 бара) за повишена безопасност.

MAP позволява евакуация на въздушните маси, влизащи в двигателя, и позволява откриване на гориво и време за запалване, необходими за оптимална работа. Всяко превозно средство, използващо директно измерване на масовия поток, включва и сензор за барометрично абсолютно налягане (BAP) за компенсация на височината.

Нови приложения за преобразуватели на налягане, обикновено базирани на интегрални преобразуватели:

контрол на налягането в EGR системите;
мониторинг на течове в горивната система, течове на гориво в резервоара за газ за наблюдение на емисиите на летливи пари и диагностика на филтъра (≈0,5 бара или 0–100 mbar диф.);
налягане в системата за впръскване на гориво (фиг. 4);
Фигура: 4. Примери за автомобилни сензори за налягане (задвижване и системи за контрол на емисиите): а - сензор MAP Bosch с микромеханична сензорна клетка; b - интегриран силициев пиезорезистивен сензор MAP Bosch; c - n - сензори за налягане на корпорация Kavlico: c - сензор за абсолютно налягане MAP Kavlico (вляво) и сензор SiemensVDO (вдясно) MAP-TMAP абсолютно налягане; d - напълно потопяем датчик за налягане за трансмисионни течности с пиезорезистивен елемент; e - сензор за диференциално налягане за измерване на дебита и състоянието на EGR клапана с едновременен MAP сигнал (технология INCAP); e - сензор за налягане на парите на горивото в резервоара за бензин (за откриване на течове съгласно OBDII); g - сензор за налягане за директно впръскване на бензинов двигател GDI (с тънкослоен елемент) до 3000 psi и контрол на емисиите на СПГ гориво (външен вид е идентичен); h - датчици за гориво под високо налягане за бензинови и дизелови двигатели (Common-rail) с директно впръскване GDI и DDI; и - сензор за високо налягане (Common-rail линии и трансмисии) с температурен сензор P5000 - базиран на тънкослойни резистори, напръскани върху метална мембрана; к - сензор P2000 с керамичен елемент на твърда основа за наблюдение на системи за рециркулация на отработени газове при тежки температури и условия на околната среда до +155 ° C; l - сензор за налягане на инжекция на карбамид за дозиращи единици карбамид и въздух на каталитичния конвертор на SCR (Selective Catalytic Reduction) системи на камиони; m - сензор за налягане на моторното масло за измерване на моторно масло (бензин или дизел) с керамичен капацитивен или пиезорезистивен сензорен елемент; n - сензор за налягане с вграден температурен сензор за алтернативни автомобилни двигатели CNG/LPG (сгъстени и втечнени газове); o - Датчици за налягане на Honeywell за приложения: DDI, GDI, MAP, TMAP, EGR; n - датчик за абсолютно налягане SiemensVDO за използване в камиони 3–6 бара; р - датчик за диференциално налягане на SiemensVDO за контрол на течовете на гориво и диагностика на филтъра (0–100 mbar диф.); в - SSI Technologies сензори за налягане за OEM-приложения (в диапазона 15–3000 psi); t - интегрални силициеви пиезорезистивни сензори за абсолютно налягане (60–115) kPa SMD085 Bosch; y - пиезорезистивна клетка на интегралния пиезорезистивен сензор за налягане MP3H6115A Freescale в случая SSOP; w - сензор за налягане в цилиндри на SiemensVDO; u - сензор за налягане в цилиндрите (сензор за налягане в цилиндъра) Honeywell

Съществуват много други приложения за автомобилни сензори за налягане:

налягане в горивната камера - 100 бара 1;
налягане на въздуха в окачването (160 бара) и амортисьорите (200 бара);
налягане за управление на автоматичната скоростна кутия (35 бара) и налягане на смазката на трансмисията 100-700 psi 2 или повече;
налягане на спирачния цилиндър (200 бара);
налягане в електро-пневматични и хидравлични спирачки;
налягане на моторното масло (50 mbar - 2 bar);
налягане на охладителя;
електрическо управление на кормилното управление;
налягане на впръскване в конвенционален бензинов двигател (5-6 бара);
налягане на впръскване на дизел (1000 бара);
впръскване на гориво под високо налягане: налягане в системата на Common Rail за запалване с искри (100–200 bar) и дизел (1400–2800 bar);
налягане в горивната линия на газовите двигатели;
налягане при задействане на въздушни възглавници;
налягане на теглото на пътника;
климатични системи и др.

Сред технологиите, използвани за сензори за налягане, днес най-търсени са MEMS технологиите на пиезорезистивни сензори, алтернатива на които се считат капацитивни силициеви MEMS или керамични сензори [12]. Дизайнът на съвременните сензори MAP/BAP е доминиран от интегрирани микромеханични силициеви пиезорезистивни сензори за налягане.

Фигура: 4. Примери за автомобилни сензори за налягане (системи за задвижване и контрол на емисиите): ф - интегриран програмируем сензор MLX90269 Melexis: външен вид и функционална диаграма

Световни лидери в производството на автомобилни сензори за налягане - Bosch, Honeywell, Freescale, General Electric Company, Kavlico, Melexis, SiemensVDO, Texas Instruments и други компании.

Разграничават се сензори за абсолютно налягане, диференциални сензори и така наречените сензори за манометър. Предавателите за абсолютно налягане измерват външното налягане спрямо нулево референтно ниво (вакуум) в еталонната камера, което съответства на 14,5 psi при една атмосфера. Диференциалните сензори измерват разликата в наляганията, приложени едновременно към противоположните страни на диафрагмата. Измервателното налягане е специален трансмитер за диференциално налягане, при който измереното налягане се прилага към едната страна, а атмосферното налягане или вакуум (вакуумно налягане) се прилага към другата страна.

MAP сензори - сензори за абсолютно въздушно налягане във всмукателния колектор на двигателя (зад дроселната клапа), от които ECU изчислява количеството гориво за всеки цилиндър, което е важно за намаляване на емисиите.

По този начин MAP-сензори с пиезорезистивен сензорен елемент се произвеждат от Bosch, Kavlico, Siemens VDO (фиг. 4).

Kavlico проектира и произвежда широка гама от сензори за различни приложения, от измерване на налягането на трансмисионната течност и EGR системи до наблюдение на впръскването на гориво под високо налягане в бензинови и газови двигатели, използвайки както капацитивна керамична, така и пиезорезистивна тънкослойна технология, комбинирана със силициева едночипова технология интегрирани сензори MEMS с програмируеми ASIC (фиг. 4 c - n).

Honeywell също така предлага широка гама предаватели на налягане (Фигура 4o), включително абсолютни, диференциални или манометърни типове до 300 psi, силициеви пиезорезистивни MEMS модули и сензори в различни ASIC корпуси.

Siemens VDO произвежда сензори за въздушно налягане MAP: T-MAP (T-MAP - с интегриран температурен сензор) и MAP-BAP (фиг. 4в, p - p) въз основа на повърхностния микромеханичен метод с капацитивна сензорна клетка, използвайки биполярен CMOS технология. Модулна и калибрирана конструкция на сензора за различни приложения и налягане варира от 100 mbar диференциално налягане (Фигура 4в) до 3,5 бара (турбо MAP).

За приложения в камиони, Siemens VDO произвежда сензор за абсолютно налягане с пиезорезистивна клетка (3-6 бара) (фиг. 4р).

Добре известен OEM производител - SSI Technologies (фиг. 4в); много други компании също се занимават с производството на сензори за налягане.

За по-новите MAP и други автомобилни сензори най-подходящи са интегрираните полупроводникови сензори, които включват компенсационни вериги и, ако е възможно, препрограмируема памет за калибриране. Стандартният изходен интерфейс за датчици за налягане е аналогов изход за напрежение, пропорционален на налягането. За тези устройства обаче тенденцията към цифрови интерфейси, която е обща за всички автомобилни сензори, също е от значение.

И двете технологии, пиезорезистивна и капацитивна, позволяват производството на интегрирани едночипови силициеви сензори, които комбинират обемна микромеханична клетка и ASIC върху един субстрат.

SMD085 (фиг. 4т) е пиезорезистивен микромеханичен сензор за налягане в SMD кутия от Bosch. Това е един от първите интегрални прецизни барометрични сензори за въздушно налягане за дизелови и бензинови системи за управление на двигателя. Схемата SMD085 е реализирана с помощта на биполярна технология и включва: интегриран сензорен елемент, логически блок за управление, схема за компенсация на температурата и схема за компенсиране на отместването. Изходното напрежение варира от 2,37-4,54 V за диапазон на налягане 60-115 kPa. IC се характеризира с висока степен на защита срещу електростатично разрушаване. Напълно интегрираната схема елиминира необходимостта от допълнителни външни компоненти.

Freescale произвежда широка гама от пиезорезистивни интегрални предаватели на налягане в три нива на интеграция. Основното сензорно устройство осигурява некомпенсирани измервания, следващото ниво се формира от устройства с интегрирана компенсация, третото ниво е представено от напълно интегрирани сензори. Компенсирани сензори (серия 2000) се предлагат във версии, които включват схеми за компенсация на температурата и калибриране; интегрираните устройства (серии 4000, 5000, 6000) осигуряват всички функции за компенсация и обработка на сигнала. Всяка фамилия сензори се предлага във варианти за абсолютно, диференциално и манометрично налягане и в различни корпуси. Тези сензори измерват налягане до 150 psi (1000 kPa).

MPX4100A/MPXA4100A, MP3H6115A Freescale, MPXH6400A (и много други) - пиезорезистивни силициеви интегрирани сензори за MAP, реализирани с помощта на биполярна технология с интегриран елемент MEMS, тънкослойна резисторна мрежа и операционен усилвател; например MP3H6115A (фиг. 4u) или MPXH6400A - устройства в най-малките SSOP пакети. Freescale е разработил много други сензори за широк спектър от автомобилни приложения, включително MPX5999D (0-1000 kPa) за различни приложения, включително полуактивно окачване. Сензорите за налягане за напомпване на гумите MPXY8000 са напълно интегрирани едночипови цифрови изходни устройства в малък пакет, които използват капацитивен принцип на измерване и измерват налягането в диапазона от 250 до 900 kPa. Тези сензори са реализирани с помощта на стандартна CMOS технология и включват повърхностна микромеханична капацитивна клетка и EEPROM, както и температурен сензор, разположен на един чип.

MLX90269 (фиг. 4е) е програмируем интегриран трансмитер за абсолютно налягане от Melexis, реализиран с помощта на стандартна CMOS технология с пиезорезистивни микромеханични елементи. IC интегрира сензор за налягане и схеми за обработка на сигнала на един чип. Сензорът включва аналогова верига за обработка на сигнала с цифрово ядро и интегриран температурен сензор - за да се осигури еднаквост след калибриране и да се премахнат зависещите от температурата отклонения на параметрите. Основното му предназначение е за сензори MAP, но може да се използва и за откриване на налягане на масло и вода. За да се постигнат минимални грешки (± 1%), MLX90269 използва 3-точково температурно калибриране и 2-точково калибриране на налягането. Изходът е аналогово напрежение, пропорционално на налягането в диапазона от 1,2 до 3 бара или 3 до 7 бара.

За автомобилни приложения (напр. Помпи) Melexis предлага програмируем манометър MLX90257 трансмитер за налягане в диапазони от 1,2 до 3 бара, 3 до 7 бара или 7 до 10 бара.

За работа при изключително високи налягания в инжекционните линии на бензинови или дизелови двигатели Commonrail, мембраните на сензорите обикновено са изработени от висококачествена пружинна стомана, която предотвратява тяхното пукване. Използването на метална или полисилициева мембрана дава възможност да се получат по-трайни и надеждни сензори, обикновено в метален корпус, които могат да включват и ASIC за компенсация, усилване и калибриране (фиг. 4 g - i, o).

Siemens VDO е разработил датчик за налягане в цилиндъра (фиг. 4h), вграден в сензора за изгаряне на подгревната свещ или датчик за налягане в подгряващата свещ, който измерва налягането по време на циклите на компресия и горене. (Подобен дизайн, показан на фиг. 4ch, е извършен от Honeywell.) Сензорът Siemens VDO помага да се изчисли количеството гориво, необходимо по време на процеса на впръскване, като по този начин спомага за намаляване на емисиите, както и за увеличаване на мощността на двигателя и намаляване на разхода на гориво . Принципът на работа се основава на измерване на деформацията на главата на цилиндъра, причинена от налягането в цилиндъра (непряк метод). Сензорът се предлага в активна калибрирана версия с керамичен нагревателен елемент.

Директният контрол на налягането в цилиндъра, както бе споменато, може да елиминира необходимостта от MAF сензор, CMP сензор и сензор за детонация.