壓力傳感器應(yīng)用分類及其原理解析

1.引言

汽車傳感器是汽車電子化、智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵， 而其中使用較多、發(fā)展最快的是壓力傳感器。汽車壓力傳感器應(yīng)用在汽車的很多系統(tǒng)中，如電子檢測(cè)系統(tǒng)、保安防撞系統(tǒng)等。其中應(yīng)用在輪胎氣壓方面的目的在于最大限度地減少或消除高壓爆胎和低壓輾胎造成的輪胎早期的損壞， 使輪胎經(jīng)常保持標(biāo)準(zhǔn)氣壓， 延長(zhǎng)輪胎的壽命，降低輪胎的消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

有報(bào)道說(shuō)，將微型壓力傳感器埋置于汽車輪胎中，測(cè)量其中氣壓， 以控制對(duì)輪胎的充氣量，避免過(guò)量和不夠，由此可節(jié)省百分之十的汽油。

2.汽車壓力傳感器

2.1 壓力傳感器的原理和應(yīng)用分類

傳感器是將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量 (一般為電量)的裝置。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成，有時(shí)還需外加輔助電源。 傳感器方框圖如圖1所示。

圖1 傳感器方框圖

制造半導(dǎo)體壓力傳感器的基本原理是利用硅晶體的壓阻效應(yīng)。單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。

壓力傳感器所用的元件材料是具有壓阻效應(yīng)的單晶硅、擴(kuò)散摻雜硅和多晶硅。根據(jù)晶體不受定向應(yīng)力時(shí)，電導(dǎo)率是同性的，只有受定向應(yīng)力時(shí)才表現(xiàn)出各向異性，由于應(yīng)力能引起能帶的變化，能谷能量移動(dòng)，導(dǎo)致電阻率的變化，于是就有電阻的變化，從而產(chǎn)生壓阻效應(yīng)。

單晶硅效應(yīng)包括n型和p型硅壓阻效應(yīng)。選用擴(kuò)散硅目的在于在設(shè)計(jì)制造壓力傳感器時(shí)可根據(jù)不同溫度下硅擴(kuò)散層的壓阻特性選擇合適的擴(kuò)散條件，力求使壓力傳感器具有良好的性能。多晶硅在傳感器中有廣泛的用途，可作為微結(jié)構(gòu)和填充材料、敏感材料。

壓力傳感器按用途分類主要是壓力監(jiān)視、壓力測(cè)量和壓力控制及轉(zhuǎn)換成其他量的測(cè)量。按供電方式分為壓阻型和壓電型傳感器，前者是被動(dòng)供電的，需要有外電源。后者是傳感器自身產(chǎn)生電荷，不需要外加電源，根據(jù)不同領(lǐng)域?qū)毫y(cè)量的精度不同分為低精度和高精度的壓力傳感器。

2.2 氣壓傳感器

1)能和原理：主要是用來(lái)檢測(cè)氣壓的傳感器。在硅片的中間，從背面腐蝕形成了正方形的膜片，利用膜片將壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)力，在膜片的表面，通過(guò)擴(kuò)散雜質(zhì)形成了四個(gè)p型測(cè)量電阻，它們按橋式電路連接，利用壓阻效應(yīng)將加在膜片上的應(yīng)力變換成電阻的變化，此電阻的變化通過(guò)橋式電路之后，在橋式電路的兩個(gè)輸出端之間，以電位差的形式對(duì)外輸出。傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器原理圖

2)氣壓的輸出特性：氣壓與輸出關(guān)系曲線如圖3所示，是一接近線性關(guān)系。

圖3 氣壓與輸出關(guān)系曲線

3.輪胎氣壓測(cè)量及電路設(shè)計(jì)

下面以測(cè)量輪胎氣壓為例詳細(xì)闡述氣壓傳感器在汽車輪胎方面的應(yīng)用。此種設(shè)計(jì)可做成一種便攜式的裝置，測(cè)量時(shí)將氣壓傳感器的表置于輪胎氣門嘴上，這時(shí)胎壓作用于傳感器的膜片上， 通過(guò)壓阻效應(yīng)和系列變換輸出微弱的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理顯示電壓值。由此可知不同的氣壓對(duì)應(yīng)著不同的電壓值，即氣壓值和電壓值是一一對(duì)應(yīng)的，從而間接測(cè)量了氣壓值。胎壓測(cè)量電路方框圖如圖4所示。

圖4胎壓測(cè)量電路方框圖

3.1 氣壓值和電壓值的相互轉(zhuǎn)換

任何一種型號(hào)的輪胎都有其標(biāo)準(zhǔn)氣壓， 某型號(hào)輪胎標(biāo)準(zhǔn)氣壓為P0壓超過(guò)P1高壓，而低于P2為低壓。那么標(biāo)準(zhǔn)氣壓!， 經(jīng)過(guò)此種裝置顯示為一定的電壓值V0壓為P1高壓時(shí)則顯示V1，而達(dá)到低壓狀態(tài)P2時(shí)則顯示V2，氣壓的強(qiáng)弱通過(guò)此種裝置體現(xiàn)在電壓值上，當(dāng)電壓值在V1-V2范圍內(nèi)變化時(shí)，則氣壓是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

若電壓值高于V1則為高壓狀態(tài)，低于V2則為低壓狀態(tài)，那么此時(shí)應(yīng)采取一系列措施改變輪胎氣壓值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而起到保護(hù)輪胎的效果。

3.2 電壓信號(hào)放大電路

我們選用的高精度低噪聲儀用放大器AD620，可以用在傳感器輸出信號(hào)小的放大器中，如光電池傳感器、應(yīng)變片傳感器以及壓力傳感器等。由于它具有低噪聲、增益精度高、增益溫度系數(shù)小和高線性度等優(yōu)良性能。用于此系統(tǒng)中是非常理想的。

AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1-1000的儀表放大器，具有良好的直流性能和交流性能，AD620的體積小、功耗低成為應(yīng)用在壓力傳感器中的重要因素，傳感器信號(hào)放大電路如圖5所示。

圖5 傳感器信號(hào)放大電路

3.3 電壓信號(hào)數(shù)字化和顯示

放大后的模擬電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)計(jì)數(shù)譯碼電路變換成7段譯碼， 最后驅(qū)動(dòng)顯示出相應(yīng)的數(shù)值， 傳感器驅(qū)動(dòng)顯示電路方框圖如圖6所示。選用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433構(gòu)成3 1/2的數(shù)字電壓顯示， 采用動(dòng)態(tài)掃描顯示有多路調(diào)制的BCD碼輸出和超量程輸出端， 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。MC1413為集成電路驅(qū)動(dòng)器， 它含有7個(gè)反相驅(qū)動(dòng)單元， 各單元采用達(dá)林頓晶體管電路。CC4511為7段譯碼驅(qū)動(dòng)。MC14433提供輸出可調(diào)的基準(zhǔn)電壓， 當(dāng)基準(zhǔn)電壓為一定值時(shí)， 輸出電壓范圍為定值。

圖6 傳感器驅(qū)動(dòng)顯示電路

4. 結(jié)束語(yǔ)

汽車壓力傳感器在輪胎方面的應(yīng)用正在不斷地改進(jìn)， 其中有很多種方式， 如采用無(wú)線電發(fā)射和接受方式來(lái)測(cè)量氣壓的高低。汽車壓力傳感器的品種正在不斷地增加， 功能正在不斷地完善。

一般地說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)式傳感器逐漸被線性壓力傳感器替代， 普通性的逐漸被高性能、多功能的傳感器取代， 模擬式壓力傳感器逐漸被數(shù)字式傳感器、智能化傳感器取代。