MEMS压力传感器在汽车中的应用

汽车电子控制系统遵循常规控制系统的基本逻辑，包括：感知、控制、执行三大环节。传感器作为获取系统及环境状态的感知单元，控制单元结合传感器输入信号及控制逻辑计算来输出控制指令，执行器完成相应动作，形成闭环控制。
汽车传感器种类繁多，按传感器门类来说包括压力、温度、气体、加速度、角度、位置、转速等。除此之外，还包括摄像头、雷达等新型传感器子系统。
以压力传感器为例，其广泛使用于发动机管理系统、舒适系统、传动系统和安全系统等。其中，MEMS压力传感器因尺寸小、灵敏度高、成本低等特点，在5~500kPa量程范围内的中低压力量程应用中占据主要地位。MEMS压力传感器一般以硅基实现信号感知，通过信号调理电路实现敏感器件的小信号校准、放大、线性化等处理，并根据后端系统需求提供不同信号输出形式。通常敏感器件实现包括压阻式和电容式两种方式。压阻式可以实现包括绝压、差压等不同信号测量方式，而电容式产品通常只适用于绝压信号测量。本文重点介绍MEMS压力传感器在汽车中的典型应用。

图1：满足国六标准的动力总成与燃油供给系统中的MEMS压力传感器

以发动机管理系统为例，会使用到的MEMS压力传感器如图1所示，包括：进气压力传感器TMAP(1&2)、涡轮增压压力传感器EGR TMAP(3)、尾气压差传感器DPF/GPF(4)、油箱蒸发泄露压力传感器EVAP(5)、碳罐脱附压力传感器(6)、尾气回收系统压力传感器(7)。

图2：典型TMAP传感器结构示意图

进气压力传感器其典型结构如图2所示，通常需要的压力范围在10-115kPa、10-250kPa和50-400kPa，分别应用于自然吸气发动机、涡轮增压发动机和带EGR尾气再循环的发动机系统，发动机燃烧需要控制空燃比，而进气压力传感器是燃烧控制系统的重要信号反馈，通常对压力检测的精度和动态响应时间有较高要求，而输出通常采用0~5V的模拟电压的比例输出形式，这样当ECU中的ADC与压力传感器使用相同的VDD作为基准电压时，可以消除因电源电压VDD波动产生的误差，而电源波动在汽车电子系统中是难以完全消除的。
除此之外，随着汽车电子总线化趋势和车载传感器数量及精度要求的提升，SENT接口传感器使用越来越多，尤其是在Powertrain系统中。SENT协议最早为GM公司发起，后成为SAE J2716标准，并在汽车电子中广为应用。因其点对点、单向传输特性，相比CAN或LIN接口具有更好的成本优势，无需专用收发器，且具有不错的传输速度。另外因其采用单线形式，传感器仅需电源、地线、信号线，可以将传统模拟电压输出传感器平滑升级为SENT输出形式，线束、插针等改动很小，并具有更多的故障诊断和数据传输能力，成为未来动力总成系统传感器主流输出形式。
相比普通IC，MEMS压力传感器除了原理差异外，应用环境也具有非常大的区别，以进气压力传感器为例，其测量的是物理量而非电学量，传感器需要特殊封装将变化的气压导入到MEMS敏感膜上，而汽车应用环境决定其气氛中带有各种潜在的水汽及腐蚀性成分，故而需要在MEMS敏感膜上涂敷保护介质，实现压力变化传递的同时保护敏感元件免受环境的侵蚀，同时需要保证在全温区和全压力量程范围内具有良好的精度性能及长期可靠性保证。通常汽车MEMS进气压力传感器工作范围覆盖到-40℃~125℃，有些应用如带废气再循环EGR系统的发动机，其进气口将包含尾气成分，会带来更高的温度挑战及更多的化学成分如卤素等的侵蚀挑战。

图3：油箱蒸发泄露压力传感器结构示意图

油箱蒸发泄露压力传感器是燃油蒸汽管理系统EVAP(Evaporative Emission System)中的重要组成部分，其典型结构如图3所示。油箱中会产生燃油蒸发，通常燃油系统中会设置活性碳罐来对油气进行吸附，同时活性炭罐具有一定的脱附压力。有研究标明，油气蒸发排放是汽车排放出的VOC的最大源头，也是城市产生雾霾和PM2.5等污染物的最主要源头。美国对机动车排放较早采用了严格标准，中国“国六”标准对排放指标要求进一步提高，而燃油蒸汽压力传感器和搭配的碳罐脱附压力传感器成为必然的选择。
其中碳罐脱附压力传感器的量程较小，通常ICE内燃机发动机系统所使用的量程为-3.75kPa~1.25kPa，测量值为油箱内相对外部大气压力差，也就意味着满量程仅有5kPa，属于表压测量。其较小的测量量程对MEMS压力传感器本身的性能和封装及校准具有较大的挑战，且因为应用环境在油箱系统，传感器需要能够满足对汽油蒸汽等腐蚀性的介质耐受，并具有宽温补偿能力。与之搭配的还会使用碳罐脱附压力传感器，其测量量程与TMAP进气压力传感器类似，通常为115kPa绝压。
尾气后处理系统也是“国六”标准关注的重点，增加了一系列传感器、执行器和控制策略来进一步降低排放，提高燃烧效率。比较典型的MEMS压力传感器是监测颗粒物捕捉器状态的压差传感器，该颗粒物捕捉器在柴油机系统上称为DPF，汽油机系统上称为GPF。

图4：DPF尾气压差传感器结构示意图

以柴油机系统为例，图4是典型的DPF尾气压差传感器的结构示意图。该差传感器总成结构上带有两个气管，分别安装软管连接到DPF捕捉器的前后两侧，通过内部结构实现两端压力差分别反应到MEMS敏感膜片的两侧。
当DPF堵塞时其前后端压力差会非常明显，DPF压差传感器的典型量程为100kPa，通常为比例输出的模拟电压信号，该传感器的应用环境条件较为恶劣，设计时需考虑到尾气中的高温及腐蚀性成分对传感器的影响。
纳芯微NSPAS1与NSPAS3系列集成式压力传感器采用SOP8封装，集成MEMS与ASIC，并在出厂前预校准，输出曲线可灵活配置，能够满足多种应用中对压力传感器的灵活需求。针对恶劣介质，纳芯微可提供绝压Pt铂金MEMS晶圆NSP163X，NSP163X具有极高的可靠性与介质耐受能力，是应用于恶劣介质环境的理想选择。
纳芯微NSPGM系列集成表压传感器方案可以灵活应用于燃油蒸汽压力表压测量及DPF和GPF尾气压差测量等领域，并能够搭配差压Pt铂金MEMS晶圆NSP183X满足尾气和油气腐蚀性环境的特殊要求。
除上述燃油汽车传感器应用外，纳芯微MEMS压力传感器也可应用在HEV混动汽车和BEV纯电动汽车，如带有启停功能和混动汽车中的刹车助力系统会使用MEMS压力传感器检测真空度， 中可以使用MEMS压力传感器检测电池包压力，用于热失控报警。
综上所述，纳芯微电子可以提供适合于上述多种应用的全方位解决方案，包括MEMS敏感元件、ASIC信号调理芯片以及补偿校准好的集成式传感器芯片或定制模组形式。并能够提供耐受恶劣介质腐蚀的贵金属MEMS及SENT、LIN等多种接口ASIC和针对应用优化的灵活的解决方案，满足汽车严苛及高可靠性的应用要求。