汽車電子控制系統(tǒng)傳感器方案

汽車電子控制系統(tǒng)遵循常規(guī)控制系統(tǒng)的基本邏輯，包括：感知、控制、執(zhí)行三大環(huán)節(jié)。傳感器作為獲取系統(tǒng)及環(huán)境狀態(tài)的感知單元，控制單元結(jié)合傳感器輸入信號及控制邏輯計算來輸出控制指令，執(zhí)行器完成相應(yīng)動作，形成閉環(huán)控制。

汽車傳感器種類繁多，按傳感器門類來說包括壓力、溫度、氣體、加速度、角度、位置、轉(zhuǎn)速等。除此之外，還包括攝像頭、雷達(dá)等新型傳感器子系統(tǒng)。

以壓力傳感器為例，其廣泛使用于發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等。其中，MEMS壓力傳感器因尺寸小、靈敏度高、成本低等特點(diǎn)，在5~500 kPa量程范圍內(nèi)的中低壓力量程應(yīng)用中占據(jù)主要地位。MEMS壓力傳感器一般以硅基實現(xiàn)信號感知，通過信號調(diào)理電路實現(xiàn)敏感器件的小信號校準(zhǔn)、放大、線性化等處理，并根據(jù)后端系統(tǒng)需求提供不同信號輸出形式。通常敏感器件實現(xiàn)包括壓阻式和電容式兩種方式。壓阻式可以實現(xiàn)包括絕壓、差壓等不同信號測量方式，而電容式產(chǎn)品通常只適用于絕壓信號測量。本文重點(diǎn)介紹MEMS壓力傳感器在汽車中的典型應(yīng)用。

圖1：滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的動力總成與燃油供給系統(tǒng)中的MEMS壓力傳感器

以發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)為例，會使用到的MEMS壓力傳感器如圖1所示，包括：進(jìn)氣壓力傳感器TMAP（1&2）、渦輪增壓壓力傳感器EGR TMAP（3）、尾氣壓差傳感器DPF/GPF（4）、油箱蒸發(fā)泄露壓力傳感器EVAP（5）、碳罐脫附壓力傳感器（6）、尾氣回收系統(tǒng)壓力傳感器（7）。

圖2：典型TMAP傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)氣壓力傳感器其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常需要的壓力范圍在10~115 kPa、10~250 kPa和50~400 kPa，分別應(yīng)用于自然吸氣發(fā)動機(jī)、渦輪增壓發(fā)動機(jī)和帶EGR尾氣再循環(huán)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)燃燒需要控制空燃比，而進(jìn)氣壓力傳感器是燃燒控制系統(tǒng)的重要信號反饋，通常對壓力檢測的精度和動態(tài)響應(yīng)時間有較高要求，而輸出通常采用0~5 V的模擬電壓的比例輸出形式，這樣當(dāng)ECU中的ADC與壓力傳感器使用相同的VDD作為基準(zhǔn)電壓時，可以消除因電源電壓VDD波動產(chǎn)生的誤差，而電源波動在汽車電子系統(tǒng)中是難以完全消除的。

除此之外，隨著汽車電子總線化趨勢和車載傳感器數(shù)量及精度要求的提升，SENT接口傳感器使用越來越多，尤其是在Powertrain系統(tǒng)中。SENT協(xié)議最早為GM公司發(fā)起，后成為SAE J2716標(biāo)準(zhǔn)，并在汽車電子中廣為應(yīng)用。因其點(diǎn)對點(diǎn)、單向傳輸特性，相比CAN或LIN接口具有更好的成本優(yōu)勢，無需專用收發(fā)器，且具有不錯的傳輸速度。另外因其采用單線形式，傳感器僅需電源、地線、信號線，可以將傳統(tǒng)模擬電壓輸出傳感器平滑升級為SENT輸出形式，線束、插針等改動很小，并具有更多的故障診斷和數(shù)據(jù)傳輸能力，成為未來動力總成系統(tǒng)傳感器主流輸出形式。

相比普通IC，MEMS壓力傳感器除了原理差異外，應(yīng)用環(huán)境也具有非常大的區(qū)別，以進(jìn)氣壓力傳感器為例，其測量的是物理量而非電學(xué)量，傳感器需要特殊封裝將變化的氣壓導(dǎo)入到MEMS敏感膜上，而汽車應(yīng)用環(huán)境決定其氣氛中帶有各種潛在的水汽及腐蝕性成分，故而需要在MEMS敏感膜上涂敷保護(hù)介質(zhì)，實現(xiàn)壓力變化傳遞的同時保護(hù)敏感元件免受環(huán)境的侵蝕，同時需要保證在全溫區(qū)和全壓力量程范圍內(nèi)具有良好的精度性能及長期可靠性保證。通常汽車MEMS進(jìn)氣壓力傳感器工作范圍覆蓋到-40℃~125℃，有些應(yīng)用如帶廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，其進(jìn)氣口將包含尾氣成分，會帶來更高的溫度挑戰(zhàn)及更多的化學(xué)成分如鹵素等的侵蝕挑戰(zhàn)。

圖3：油箱蒸發(fā)泄露壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

油箱蒸發(fā)泄露壓力傳感器是燃油蒸汽管理系統(tǒng)EVAP（Evaporative Emission System）中的重要組成部分，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。油箱中會產(chǎn)生燃油蒸發(fā)，通常燃油系統(tǒng)中會設(shè)置活性碳罐來對油氣進(jìn)行吸附，同時活性炭罐具有一定的脫附壓力。有研究標(biāo)明，油氣蒸發(fā)排放是汽車排放出的VOC的最大源頭，也是城市產(chǎn)生霧霾和PM2.5等污染物的最主要源頭。美國對機(jī)動車排放較早采用了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，中國“國六”標(biāo)準(zhǔn)對排放指標(biāo)要求進(jìn)一步提高，而燃油蒸汽壓力傳感器和搭配的碳罐脫附壓力傳感器成為必然的選擇。

其中燃油蒸汽壓力傳感器的量程較小，通常ICE內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)所使用的量程為-3.75 kPa~1.25 kPa，測量值為油箱內(nèi)相對外部大氣壓力差，也就意味著滿量程僅有5 kPa，屬于表壓測量。其較小的測量量程對MEMS壓力傳感器本身的性能和封裝及校準(zhǔn)具有較大的挑戰(zhàn)，且因為應(yīng)用環(huán)境在油箱系統(tǒng)，傳感器需要能夠滿足對汽油蒸汽等腐蝕性的介質(zhì)耐受，并具有寬溫補(bǔ)償能力。與之搭配的還會使用碳罐脫附壓力傳感器，其測量量程與TMAP進(jìn)氣壓力傳感器類似，通常為115 kPa絕壓。

尾氣后處理系統(tǒng)也是“國六”標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的重點(diǎn)，增加了一系列傳感器、執(zhí)行器和控制策略來進(jìn)一步降低排放，提高燃燒效率。比較典型的MEMS壓力傳感器是監(jiān)測顆粒物捕捉器狀態(tài)的壓差傳感器，該顆粒物捕捉器在柴油機(jī)系統(tǒng)上稱為DPF，汽油機(jī)系統(tǒng)上稱為GPF。

圖4：DPF尾氣壓差傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

以柴油機(jī)系統(tǒng)為例，圖4是典型的DPF尾氣壓差傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該差傳感器總成結(jié)構(gòu)上帶有兩個氣管，分別安裝軟管連接到DPF捕捉器的前后兩側(cè)，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩端壓力差分別反應(yīng)到MEMS敏感膜片的兩側(cè)。

當(dāng)DPF堵塞時其前后端壓力差會非常明顯，DPF壓差傳感器的典型量程為100 kPa，通常為比例輸出的模擬電壓信號，該傳感器的應(yīng)用環(huán)境條件較為惡劣，設(shè)計時需考慮到尾氣中的高溫及腐蝕性成分對傳感器的影響。

納芯微NSPAS1與NSPAS3系列集成式壓力傳感器采用SOP8封裝，集成MEMS與ASIC，并在出廠前預(yù)校準(zhǔn)，輸出曲線可靈活配置，能夠滿足多種應(yīng)用中對壓力傳感器的靈活需求。針對惡劣介質(zhì)，納芯微可提供絕壓Pt鉑金MEMS晶圓NSP163X，NSP163X具有極高的可靠性與介質(zhì)耐受能力，是應(yīng)用于惡劣介質(zhì)環(huán)境的理想選擇。

納芯微NSPGM系列集成表壓傳感器方案可以靈活應(yīng)用于燃油蒸汽壓力表壓測量及DPF和GPF尾氣壓差測量等領(lǐng)域，并能夠搭配差壓Pt鉑金MEMS晶圓NSP183X滿足尾氣和油氣腐蝕性環(huán)境的特殊要求。

除上述燃油汽車傳感器應(yīng)用外，納芯微MEMS壓力傳感器也可應(yīng)用在HEV混動汽車和BEV純電動汽車，如帶有啟停功能和混動汽車中的剎車助力系統(tǒng)會使用MEMS壓力傳感器檢測真空度，新能源汽車中可以使用MEMS壓力傳感器檢測電池包壓力，用于熱失控報警。

綜上所述，納芯微可以提供適合于上述多種應(yīng)用的全方位解決方案，包括MEMS敏感元件、ASIC信號調(diào)理芯片以及補(bǔ)償校準(zhǔn)好的集成式傳感器芯片或定制模組形式。并能夠提供耐受惡劣介質(zhì)腐蝕的貴金屬M(fèi)EMS及SENT、LIN等多種接口ASIC和針對應(yīng)用優(yōu)化的靈活的解決方案，滿足汽車嚴(yán)苛及高可靠性的應(yīng)用要求。