Применение
Давление — это воздействие силы, возникающее в газах и жидкостях, действующее во всех направлениях. Микромеханические датчики давления определяют давление различных сред в автомобиле, например:
- давление во впускном коллекторе, для определения нагрузки в системе управления двигателем;
- давление наддува для его регулирования;
- давление воздуха для учета плотности воздуха, при регулировании давления наддува;
- давление масла в двигателя для индикации на сервисном табло;
- давление топлива для контроля степени загрязнения топливного фильтра.
Микромеханические датчики давления определяют абсолютное давление жидкостей и газов путем измерения разности давлений по сравнению с эталонным вакуумом.
Модель с эталонным вакуумом на структурной стороне
Конструкция
Измерительная ячейка микромеханического датчика давления состоит из кремниевого чипа (рис. 1а, поз. 2), в который микромеханическим способом втравлена тонкая мембрана (1).
| Рисунок №1 Измерительная ячейка датчика давления с эталонным вакуумом на структурной стороне (схема) | |
 |
P Измеряемое давление U0 Напряжение питания |
На мембрану методом диффузии введены четыре сопротивления растяжению (R1,R2) , электрическое сопротивление которых изменяется при механическом растяжении. Колпачок (рис. 2, поз. 6), под которым расположен опорный вакуум, огибает измерительную ячейку на их структурной стороне и герметизирует ее. В корпус датчика давления дополнительно можно интегрировать датчик температуры (рис. 3, поз. 1), сигналы которого можно обрабатывать независимо.
Принцип действия
В зависимости от воздействующего внешнего давления мембрана сенсорной ячейки прогибается с различной интенсивностью (прогиб середины мембраны в 10... 1000 мкм). Четыре сопротивления растяжению на мембране изменяют электрическое сопротивление при возникающих механических растяжениях или сжатиях (пьезорезистивный эффект).
| Рисунок №2 Измерительная ячейка датчика давления с колпачком и эталонным вакуумом на структурной стороне (конструкция) | |
 |
|
Измерительные сопротивления расположены на кремниевом чипе так, чтобы при деформации мембраны электрическое сопротивление двух измерительных сопротивлений возрастает, а двух других уменьшается. Измерительные сопротивления расположены в мостовой цепи Уитстона (рис. 1b). Из-за изменения сопротивления изменяется также соотношение электрических сопротивлений.
За счет этого изменяется измеряемое напряжение UM. Это еще не усиленное измеряемое напряжение является мерой давления на мембране. Благодаря мостовой цепи создается более высокое измеряемое напряжение, чем при обработке данных отдельного сопротивления. Мостовая цепь Уитстон
Электроника для подготовки сигнала интегрирована на чип и выполняет задачу по усилению мостового напряжения, компенсации воздействия температуры и линеаризации графика характеристик давления.
| Рисунок №3 Микромеханический датчик давления с эталонным вакуумом на структурной стороне (конструкция) | |
 |
|
Выходное напряжение находится в диапазоне 0...5 В и подается через электрические соединения на блок управления двигателем (рис. 3, поз. 5). Блок управления на основании этого выходного напряжения рассчитывает давление.
| Рисунок №4 Микромеханический датчик давления с эталонным вакуумом в полости (конструкция) | |
 |
|
Конструкция с эталонным вакуумом в полости
Конструкция
Датчик давления с эталонным вакуумом в полости (рис. 4) использующийся в качестве датчика впускного трубопровода или датчик давления наддува, сконструирован проще, чем датчик с эталонным вакуумом на структурной стороне: чип из кремния (рис. 5, поз. 6) с втравленной мембраной и четырьмя сопротивлениями растяжению в мостовой цепи установлен — как и в датчике давления с колпачком и эталонным вакуумом на структурной стороне — как измерительная ячейка на стеклянном цоколе (3). Стеклянный цоколь в отличие от датчика, не имеет отверстия, через которое измеряемое давление воздействует на измерительную ячейку с обратной стороны. Гораздо большую нагрузку вследствие воздействия давления кремниевый чип получает со стороны, на которой находится электроника для обработки данных.
| Рисунок №5 Измерительная ячейка датчика давления с эталонным вакуумом в полости (конструкция) | |
 |
р Измеряемое давление |
Поэтому эта сторона должна быть защищена от внешних негативных воздействий с помощью специального геля. Опорный вакуум (5) находится в полости между кремниевым чипом и стеклянным цоколем. Весь измерительный элемент держится на керамическом гибриде (4), на котором имеется место для припоя других контактов датчика.
В корпус датчика давления дополнительно можно интегрировать дополнительный температурный датчик. Температурный датчик выступает наружу в поток воздуха и мгновенно реагирует на изменения температуры (рис. 4, поз. 4).
Принцип действия
Принцип действия, обработки и усиления сигнала, а также график характеристик такие же, как и у датчика давления в эталонном вакууме на структурной стороне. Единственное отличие состоит в том, что мембрана измерительной ячейки деформируется в противоположном направлении и за счет этого сопротивления растяжению определяют противоположную деформацию.
| Рисунок №6 Датчик высокого давления | |
 |
|