Датчики в автомобиле

Датчики в автомобиле

 

Электронная система современного автомобиля не может работать без датчиков. Автомобильные датчики оценивают значения неэлектрических параметров и преобразуют их в электрические сигналы. Преобразование физической величины Ф в электрическую количественную величину Е. Вот о том, какую роль играют датчики в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

В качестве сигнала выступает напряжение, ток и частота. Сигналы преобразуются в цифровой код и передаются на ЭБУ, который в соответствии с заложенной программой приводит в действие исполнительные механизмы.

Классификация датчиков

 

Тип характеристической кривой

 

По характеристике

  • С непрерывной линейной: используется в контуре с широким диапазоном из­мерений (рис.»По характеристике» );
  • С непрерывной нелинейной: контроль какого-либо параметра в пределах узкого диапазона измерения в системах с об­ратной связью;
  • С прерывистой многоуровневой: управле­ние в случаях, когда требуется немедлен­ное определение величины сигнала, если достигается его предельное значение;
  • С дискретной двухуровневой (иногда с явлением гистерезиса): контроль по­правки для прямого или последующего регулирования.

Тип выходного сигнала

 

Форма сигналаВыходной сигнал пропорционален (рис.»Форма сигнала«):

  • Амплитуде, величине тока или напряжения;
  • Частоте или периоду;
  • Продолжительности импульса (коэффици­енту заполнения импульсов).

Дискретный выходной сигнал:

  • Двухуровневый (двоичный);
  • Многоуровневый (неравномерная градуи­ровка);
  • Многоуровневый (равномерный) или цифровой.

 

 

Применение датчиков в автомобильной промышленности

 

Автомобильный датчикДатчики и исполнительные механизмы пред­ставляют собой периферийные устройства линии связи между транспортным средством с его сложным приводом, тормозами, шасси и работой агрегатов общецелевого использо­вания, включая навигационные устройства, и блоками управления, обрабатывающими по­лучаемые сигналы. Переходные устройства (адаптеры) обычно используются для преоб­разования сигналов датчика в стандартную форму, необходимую для передачи на блок управления. Кроме того, на работу системы могут влиять сигналы датчиков из других об­рабатывающих элементов и/или выключатели, которыми манипулирует водитель (рис. «Автомобильный датчик» ).

Основные требования к датчикам в автомобиле

 

Степень нагрузки, которой подвергается дат­чик, определяется условиями эксплуатации (механические, климатические, химические, электромагнитные влияния).

По условиям эксплуатации и предъяв­ляемым требованиям датчики транспортных средств делятся на три класса надежности, в зависимости от расположения:

  • Рулевое управление, тормоза, защита пассажира;
  • Двигатель, трансмиссия, подвеска, шины;
  • Комфорт, информация/диагностика, противоугонная защита.

Концепции миниатюризации устройств служат:

  • Технологии гибридных интегральных схем и подложек (датчики температуры и давления);
  • Полупроводниковые технологии (контроль частоты вращения, например, датчиком Холла);
  • Микромеханика (датчики измерения уско­рения и давления);
  • Микропроцессорная технология (интегра­ция микромеханических или микрооптических компонентов с микроэлектрон­ными схемами в сложную систему).

 

 

Встроенные датчики

 

Системы управления развиваются от локаль­ных электронных схем обработки сигналов с гибридными и монолитными встроенными датчиками до комплексных цифровых схем с аналого-цифровыми преобразователями и микрокомпьютерами (мехатроника), полно­стью использующими прецизионные воз­можности датчика («интеллектуальные» датчики, рис. «Уровень интеграции датчиков» ).

 

Уровень интеграции датчиков

 

Достоинства:

  • Уменьшение нагрузки на ЭБУ;
  • Унифицированный, гибкий, совместимый с шиной интерфейс;
  • Множественное применение датчиков;
  • Конструкции с несколькими датчиками;
  • Использование небольших измерительных эффектов и высокочастотных измерительных эффектов (локальное усиление и демодуляция);
  • Хранение индивидуальных коэффициентов коррекции в программируемой памяти PROM для улучшения характеристик и местной компенсации погрешностей датчика, а также общей балансировки работы датчика и цепи.

 

 

Микромеханика

 

Термин «микромеханика» обозначает при­менение полупроводниковой технологии в производстве механических компонентов из полупроводниковых материалов (главным образом, кремния). Здесь используются и полупроводниковые, и механические свой­ства кремния. Первые микромеханические кремниевые измерительные преобразователи давления были установлены на транспортных средствах 80-х годов. Исследования типичных механических параметров материалов распро­странились на микрометрический диапазон.

Механические свойства кремния, напри­мер, прочность, твердость и модуль Юнга, см. в табл. «Механические свойства кремния«, сопоставимы со сталью. Однако кремний значительно легче стали и обладает большей удельной теплопроводно­стью. Используются монокристаллические кремниевые пластины с почти идеальными механическими свойствами. Гистерезис и утечка по поверхности ничтожны. Ввиду хруп­кости монокристального материала, на кривой зависимости деформации от напряжения от­сутствует участок текучести; поэтому материал разрывается в тот момент, когда превышается предел упругой деформации.

 

Механические свойства кремния

 

Существуют два метода производства крем­ниевых микромеханических структур — объем­ная микромеханика (VMM) и поверхностная микромеханика (SMM). В обоих методах ис­пользуются как стандартные процессы ми­кроэлектроники (например, эпитаксиальное выращивание, окисление, диффузия и фото­литография), так и специальные.

Объемная микромеханика

 

Материал кремниевой пластины обрабатыва­ется на требуемой глубине с помощью анизотропического (щелочного) травления с элек­трохимической остановкой или без таковой. В задней части материал удаляется изнутри кремниевого слоя, где нет маски для травле­ния наверху (рис. «Электрохимическое травление» ). С помощью этого метода можно создавать очень маленькие мембраны толщиной 5-50 мкм, а также отверстия, лучи и сетки, необходимые, например, в датчиках давления и ускорения.

 

Электрохимическое травление

 

Проблема при щелочном травлении со­стоит в том, что стенки идут внутрь под углом. Чтобы можно было осуществить высокоточное травление на глубине с вер­тикальными стенками, было необходимо разработать новый процесс. Он предусматривает создание в специальном реакторе с газовой фазой чередующихся газов и сопутствующих условий для стадии травления и затем для стадии пассивации. Это травление и последующая пассивация стенок выполняются так, что получаются очень точные вертикальные стенки. Этот процесс можно использовать и для объемной, и для поверхностной микро­механики.

Поверхностная микромеханика

 

В поверхностной микромеханике, в отличие от объемной, в качестве основного мате­риала используется только кремниевая пла­стина. Подвижные структуры формируются в поликристаллическом кремниевом слое, который создается на поверхности кремния посредством эпитаксиального наращивания (процесс подобен тому, что применяется при изготовлении интегральных схем).

 

Этапы процесса в поверхностной микромеханике

 

При изготовлении компонента поверхност­ной микромеханики на пластину сначала на­носится расходуемый слой оксида кремния, который структурируется стандартными по­лупроводниковыми процессами, т.е. частично снова убирается (рис. а, «Этапы процесса в поверхностной микромеханике» ). Структура микромеханического поверхностного датчикаЗатем в эпитакси­альном реакторе при высокой температуре накладывается слой поликристаллического кремния толщиной около 10 мкм (рис. Ь, «Этапы процесса в поверхностной микромеханике» ), структура которого протравливается анизо­тропно, т.е. вертикально, с помощью лаковой маски (глубокое протравливание, рис. 2, с). Вертикальные боковые стенки образуются посредством чередования циклов травления и пассивации. Вытравленная боковая секция стенки во время пассивации полимером вы­ступает в качестве защиты от воздействия при последующем травлении. Вертикальные стенки, создаваемые таким образом, имеют высокую точность исполнения. На последней стадии процесса (рис. d, «Этапы процесса в поверхностной микромеханике» ) оксидный слой, Располагаемый ниже поликремниевого слоя, удаляется с помощью газообразного фтори­стого водорода (рис. «Структура микромеханического поверхностного датчика» ).

Помимо всего прочего, поверхностная микромеханика используется в производстве емкостных датчиков ускорения для подушек безопасности и датчиков вращения вокруг вертикальной оси для системы динамической стабилизации (ESP) и системы защиты при опрокидывании.

 

 

Процесс APSM

 

В процессе APSM (улучшенная пористая крем­ниевая мембрана) используется совершенно иная поверхностно-микромеханическая тех­нология. В нем используются свойства пори­стого кремния создавать под монокристаллической мембраной точно определенную полость с вакуумом.

Создание точных вакуумных полостей в кремнии по технологии APSMОсновой процесса APSM является пори­стый кремний. Его можно изготавливать вы­борочно и на локально ограниченной основе из р-легированного кремния с помощью электромеханического анодирования во фто­ристоводородной кислоте. При этом часть кремния растворяется, оставляя в кристалле пористую, губчатую кремниевую раковину, «пористый кремний».

В свою очередь, пористый кремний может при высокой температуре трансформиро­ваться. Кремниевая раковина растворяется, при подходящих условиях образуя на поверх­ности тонкую мембрану. Под этой мембраной образуется полость (рис. «Создание точных вакуумных полостей в кремнии по технологии APSM» ). Толщину этой тонкой мембраны можно увеличить до нуж­ной величины посредством эпитаксиального выращивания.

Монокристаллический эпитаксиальный слой используется, к примеру, в качестве диафрагмы датчика давления. Элементы оце­нивающего контура в эпитаксиальном слое за пределами диафрагмы позволяют создать высокоточный, небольшой и недорогой дат­чик давления.

Современные датчики давления, напри­мер, барометрические датчики для систем управления двигателем, изготавливаются с помощью технологии APSM.

Присоединение пластины микромеханических систем

 

Тонкослойный колпачок для герметизации датчикаДругой важной задачей при производстве микромеханических систем, кроме получения кремниевых структур, является соединение двух пластин. Такое соединение требуется, например, для герметичного уплотнения по­лостей (в частности, для применения кон­трольного вакуума в датчике давления), для защиты чувствительных структур с помощью уплотнений (в датчиках ускорения и частоты вращения, рис. «Тонкослойный колпачок для герметизации датчика» ), для соединения кремние­вой пластины с промежуточными слоями, которые минимизируют тепловые и механи­ческие напряжения (например, стеклянное основание на датчиках давления).

Присоединение анодной пластиныПри анодировании с кремниевой пластиной соединяется пластина из пирекс-стекла при электрическом напряжении порядка 100 В и температуре около 400 °С (рис. «Присоединение анодной пластины» ). Сильное электростатическое притяжение и электро­химическая реакция (анодное окисление) в результате обеспечивают постоянную гер­метичную связь между стеклом и кремнием.

При соединении стеклоуплотнением две кремниевые пластины контактируют между собой посредством слоя стеклянного припоя (применяемого при трафаретной печати) при температуре около 400 °С с одновременным приложением давления. Стеклянный припой расплавляется, образуя герметичное соеди­нение с кремнием.

В следующей статье я расскажу о датчиках положения.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *