壓阻式MEMS傳感器在汽車電子控制系統中的應用研究

煙臺工程職業技術學院 山東 煙臺 264006

1 壓阻式MEMS傳感器內部結構及原理

所有傳感器中，最早應用了MEMS技術的是壓力傳感器，而且在目前的傳感器市場上占有很大的比率，早已投入批量生產和應用。目前，MEMS壓力傳感器在汽車發動機電控系統中運用不多，其與ECU通信方式同于傳統的壓力傳感器，運行過程中能夠將檢測到的壓力信號轉換為電信號輸出，方便發動機ECU處理信號[1]。

汽車MEMS壓力傳感器中最常用的是壓阻式，它是采用四個高精度半導體電阻應變片組成惠斯通電橋，以這種電路形式作為外界壓力與輸出電信號之間變換的測量電路的。壓阻式MEMS傳感器具有較高的測量精度，但并沒有提高功耗，其工作過程中的功耗反而降低，最關鍵的一點是成本極低。

MEMS壓阻式壓力傳感器的惠斯通測量電橋采用了四個高精密電阻應變片，運用特殊加工工藝將這四個電阻應變片刻制在應力最大處很高，如果嚴格要求精確度，可以達到0.01%～0.03%這樣一個水平。

MEMS壓阻式壓力傳感器內部結構分為三層，中層是測壓力類傳感器常用的硅晶體應變片，應變片的上層和下層分別有一層具有一定厚度的高強度耐壓玻璃體，并在它的中部做成一個應力溝槽，這個應力溝槽可以承受的應力，經特殊工藝加工、刻蝕、封裝后的MEMS

MEMS壓阻式壓力傳感器的基本原理和工作過程是：當來自外界的壓力施加在傳感器應力溝槽上時，硅晶體應變片就會因彈性形變使自身電阻發生變化，這一現象就是電阻應變效應。所以，惠斯通電橋中的四個電阻應變片因受到壓力進一步發生電阻變化，原先保持電位平衡的惠斯通電橋不再平衡，惠斯通電橋就會輸出與所受壓力成正比的電壓信號。

2 壓阻式MEMS壓力傳感器的應用

在大眾AJR發動機電控系統中，傳統的壓力傳感器體積較大、性能一般、功耗較大、響應速度慢。如果將MEMS壓力傳感器應用于AJR電控系統將大大節省發動機空間，進一步提高系統性能，并且在短時間內實現監測功能，同時保證較小的功耗。這種壓力傳感器可用于測量AJR發動機系統中的氣體壓力，比如：進氣歧管的壓力、真空管壓力、輪胎內部的壓力；液體的壓力，比如：機油壓力和燃油的油壓等；固體的壓力，一般情況下也稱測固體壓力的汽車壓力傳感器為碰撞傳感器。下面通過表1具體看一下傳統的壓力傳感器在AJR發動機電控系統中的主要用途。以輪胎壓力傳感器為例，簡單說明一下壓阻式壓力傳感器在汽車上的應用。在各種交通事故中，汽車輪胎爆胎是經常發生并且可能會引起致命車禍的原因之一，所以基本所有車輛都裝備有輪胎壓力監測系統[2]。因為輪胎內部的氣壓通常與內部溫度有關系，所以在輪胎壓力傳感器內部集成了一個尺寸較小的溫度傳感器，輔助測量輪胎內氣壓。

表1 汽車壓力傳感器

與傳統壓力傳感器相比，汽車MEMS壓力傳感器有獲得較高的靈敏度。以AJR發動機進氣歧管壓力傳感器為例，說明它與發動機ECU之間的關系。MEMS半導體壓阻式壓力傳感器能夠測量的壓力范圍與力敏膜片的厚度有直接的關系，但周圍環境溫度等因素也能夠影響到輸出信號的準確率，所以為防止內部力敏芯片受溫度影響，電路中擴充了調理電路進行補償。

壓阻式MEMS壓力傳感器除了在進氣歧管壓力檢測、輪胎氣壓自動監測系統中應用之外，還可用于AJR發動機尾氣系統中。MEMS壓力傳感器的適應性較強，在AHR發動機應用的輪胎壓力監測系統中，不論什么類型的輪胎，都能快速、準確并且實時測量輪胎內部的氣壓，同時由于MEMS壓阻式壓力傳感器內部帶有溫度敏感元件，還可以一同監測輪胎內的溫度以及輪胎旋轉的轉速等，這些輔助測出的信號最終以一種特定的代碼發送給AJR發動機ECU。目前，各國汽車行業對胎壓監測系統都很重視，這樣就為MEMS壓力傳感器提供了廣闊的市場。

MEMS傳感器不僅僅應用于汽車，工業、農業、航天、電子、安防等系統都大量的應用。MEMS傳感器就像動物的觸角，就像人類的皮膚、眼睛等，帶領我們感知神秘的世界和探索大自然的奧秘。