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

 

• 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

 

Выходной 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

 

Датчики 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» ).

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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).

 

 

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» ). Затем 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.

Основой 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

 

Другой 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).

При 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.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: