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、轉速等。除此之外，還包括攝像頭、雷達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，在5~500kPa量程范圍內的中低壓力量程應用中占據(jù)主要地位。MEMS壓力傳感器一般以硅基實現(xiàn)信號感知，通過信號調理電路實現(xiàn)敏感器件的小信號校準、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。本文重點介紹MEMS壓力傳感器在汽車中的典型應用。
圖1：滿足國六標準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傳感器結構示意圖
進氣壓力傳感器其典型結構如圖2所示，通常需要的壓力范圍在10-115kPa、10-250kPa和50-400kPa，分別應用于自然吸氣發(fā)動機、渦輪增壓發(fā)動機和帶EGR尾氣再循環(huán)的發(fā)動機系統(tǒng)，發(fā)動機燃燒需要控制空燃比，而進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)響應時間有較高要求，而輸出通常采用0~5V的模擬電壓的比例輸出形式，這樣當ECU中的ADC與壓力傳感器使用相同的VDD作為基準電壓時，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標準，并在汽車電子中廣為應用。因其點對點、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，應用環(huán)境也具有非常大的區(qū)別，以進氣壓力傳感器為例，其測量的是物理量而非電學量，傳感器需要特殊封裝將變化的氣壓導入到MEMS敏感膜上，而汽車應用環(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敏感膜上涂敷保護介質，實現(xiàn)壓力變化傳遞的同時保護敏感元件免受環(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具有良好的精度性能及長期可靠性保證。通常汽車MEMS進氣壓力傳感器工作范圍覆蓋到-40℃~125℃，有些應用如帶廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的發(fā)動機，其進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)泄露壓力傳感器結構示意圖
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，其典型結構如圖3所示。油箱中會產(chǎn)生燃油蒸發(fā)，通常燃油系統(tǒng)中會設置活性碳罐來對油氣進行吸附，同時活性炭罐具有一定的脫附壓力。有研究標明，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。美國對機動車排放較早采用了嚴格標準，中國“國六”標準對排放指標要求進一步提高，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。
其中碳罐脫附壓力傳感器的量程較小，通常ICE內燃機發(fā)動機系統(tǒng)所使用的量程為-3.75kPa~1.25kPa，測量值為油箱內相對外部大氣壓力差，也就意味著滿量程僅有5kPa，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具有較大的挑戰(zhàn)，且因為應用環(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耐受，并具有寬溫補償能力。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進氣壓力傳感器類似，通常為115kPa絕壓。
尾氣后處理系統(tǒng)也是“國六”標準關注的重點，增加了一系列傳感器、執(zhí)行器和控制策略來進一步降低排放，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系統(tǒng)上稱為DPF，汽油機系統(tǒng)上稱為GPF。
圖4：DPF尾氣壓差傳感器結構示意圖
以柴油機系統(tǒng)為例，圖4是典型的DPF尾氣壓差傳感器的結構示意圖。該差傳感器總成結構上帶有兩個氣管，分別安裝軟管連接到DPF捕捉器的前后兩側，通過內部結構實現(xiàn)兩端壓力差分別反應到MEMS敏感膜片的兩側。
當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100kPa，通常為比例輸出的模擬電壓信號，該傳感器的應用環(huán)境條件較為惡劣，設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，并在出廠前預校準，輸出曲線可靈活配置，能夠滿足多種應用中對壓力傳感器的靈活需求。針對惡劣介質，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耐受能力，是應用于惡劣介質環(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用于燃油蒸汽壓力表壓測量及DPF和GPF尾氣壓差測量等領域，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用外，納芯微MEMS壓力傳感器也可應用在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，納芯微電子可以提供適合于上述多種應用的全方位解決方案，包括MEMS敏感元件、ASIC信號調理芯片以及補償校準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腐蝕的貴金屬MEMS及SENT、LIN等多種接口ASIC和針對應用優(yōu)化的靈活的解決方案，滿足汽車嚴苛及高可靠性的應用要求。
（轉載）
