Информационные контрольно-диагностические системы - Полупроводниковые датчики

  Проблемы разработки

  Для эффективного применения электроники требуются три основ­ных компонента: электронные блоки управления (ЭБУ), исполнитель­ные механизмы и датчики. Конструкции блоков управления и испол­нительных механизмов отработаны достаточно хорошо. Но с датчика­ми дело обстоит по-другому.

  Датчики являются ответственным звеном в электронной системе управления или измерения и влияют на эффективность ее работы. Они обеспечивают абсолютные измерения того, чем надо управлять или что следует измерять, будь это поток воздуха в двигателе или количе­ство топлива в баке. Но сегодня датчики как бы «ахиллесова пята» в электронных системах управления.

  Надежность датчиков всегда была проблемой. Большинство из них взяты из аэрокосмической или полупроводниковой техники и обхо­дятся очень дорого из-за непригодности конструкции к массовому производству. В основном они не подходят для интенсивной эксплуа­тации в автомобилях.

  Многие фирмы — изготовители датчиков осознали возможности бизнеса, которые появляются на рынке автомобильной промышлен­ности. Они с завистью смотрят на явно огромные объемы этого рынка. В недавнем анализе, проведенном фирмой «BIS Strategic Deci­sions» (г. Лутон, Великобритания), предполагается, что в США спрос на автомобильные датчики будет ежегодно расти на 15,4 %. Эта фирма ориентировочно подсчитала, что существующий американский рынок таких датчиков составляет 835 млн долл. и в ближайшие годы вырас­тет до 1,5 млрд долл. Автомобильные компании продолжают прида­вать особое значение датчикам и в последующем обратятся ко многим электронным фирмам за поддержкой в этой актуальной области. Од­нако здесь существует несколько основных проблем.

  Необходимо преодолеть два основных барьера. Первый стоит на стадии выработки концепции или конструирования. Многие предлага­ют измерительные устройства, требующие слишком большой компен­сации побочных влияний, например, температуры и термического рас­ширения. В результате требуется дорогостоящее усовершенствование, приводящее к трудностям при изготовлении и тарировании; самый желательный датчик — наиболее эффективный, генерирующий силь­ный выходной сигнал без компенсации. Хороший пример тому — кис­лородный датчик, действия которого базируются на фундаментальной химической реакции, предсказуемой и точной.

  Другая основная проблема связана с конструированием для применения в автомобиле. В слишком многих конструктивных концепциях главный упор делают на чувствительный элемент, не уделяя внимания монтажу для специфического размещения в авто­мобиле. Это результат подетального подхода, когда конструктор сосредотачивается только на чувствительном элементе — сердце при­бора. Истинно системный подход привел бы конструктора к ос­новательному пониманию окружающей прибор среды и ее взаи­модействия с электронной системой.

  Критическим моментом является эффективный взаимный подбор электрических характеристик. Самое важное для его «жизнеспособ­ности» — физическое исполнение всего прибора. Корпус датчика должен бьпь рассчитан на экстремальные температуры, вибрацию и удар, быть устойчивым к загрязнителям и эксплуатироваться не менее 10 лет.

  Одно из самых слабых мест в эффективном конструировании дат­чиков, вероятно, объясняется недостатком тесного взаимодействия между конструкторами автомобилей и электронных устройств.

  В настоящее время имеются громадные возможности привлечения изготовителей датчиков в качестве поставщиков для автомобильной промышленности. Но эти поставщики вначале должны полностью по­нять, как датчики используются, каковы ограничения в цене и требо­вания конструкций для массового производства. Сегодня эти датчики в основном продаются вдвое дороже, чем приемлемо для применения в автомобилях. Особенно высоки капиталовложения в разработку конструктивных концепций и производственное оборудование. Для получения обоснованной окупаемости должны быть большие объемы выпуска продукции.

  Проблемы применения

  По мере того как снижаются цены, ужесточаются правительствен­ные требования к топливной экономичности и чистоте отработавших газов, растет потребность в датчиках электронных систем и расширя­ется их рынок. Но какие датчики нужны?

  Все определяется не только стоимостью, но и требованиями интег­рирования датчиков в систему. Чтобы резко снизить себестоимость всех составных частей электронных систем (микропроцессоров, датчи­ков), нужно создавать заново систему в целом. Но автомобильная про­мышленность развивается эволюционным путем, а не революцион­ным. Для создания «авангардной» технологии необходимо 8—10 лет, в то время как применение традиционной для налаживания серийного производства новой электронной системы требуется только 4 года.

  В большинстве случаев цену на новую продукцию удается снизить благодаря расширению объемов выпуска и приобретению опыта. Но это затрудняет в дальнейшем перевод принятой технологии на новую основу, продлевая жизнь старой, но отлаженной. Это имеет положи­тельную сторону. С ростом применения датчиков в автомобильных электронных системах теряет значение то, какая технология является лучшей в конкретном случае и даже какое количество датчиков и какая стратегия управления всей системой будет необходима в буду­щем.

  Сегодня полупроводниковые датчики считаются новым компонен­том, их достоинством является преобразование синусоидального сиг­нала в серии прямоугольных импульсов. Микропроцессоры могут вос­принимать только логические единицы и нули. Поэтому на выходе синусоидальный сигнал необходимо сравнивать с пороговой величи­ной и в период, когда его уровень превышает пороговую величину, считать сигнал равным нулю, а в период, когда уровень сигнала меньше порогового значения — единице. А частота импульсов харак­теризует скорость процесса.

  Следующий шаг — обеспечение предварительной обработки сигнапа перед подачей его в контроллер системы. Такие так называемые «интеллектуальные» датчики освободят центральный контроллер от предварительных вычислений, расширяя его возможности для реали­зации алгоритма управления и распределения информации между сис­темами. «Интеллектуальные» датчики, вероятно, не будут непосредст­венно распределять информацию. Многие пользователи, подключая к одному датчику несколько систем, затрудняют его функционирование. Интеллектуальные датчики будут следующим шагом вперед. Заказ­чики требуют от будущих датчиков способности к самодиагностике, распознаванию сбоев и ложных сигналов, удобства технического об­служивания. В настоящее время особенно растет потребность в прибо­рах измерения ускорений — акселерометрах.

  В новейших системах управления надувными подушками безопас­ности для измерения ударного воздействия используются акселеромет­ры, установленные непосредственно в блоке управления, расположен­ном в салоне автомобиля. Это исключает необходимость иметь мно­жество внешних датчиков (неэлектронные системы обычно содержат А—5 механических датчиков), сокращает длину проводов и объем тре­буемого для размещения системы пространства. Снижается также и время срабатывания подушки. Механическая система обеспечивала время срабатывания около 22 мс, сейчас это время составляет 17,5 мс. Но акселерометры используются не только в системах управления подушками. Они могут применяться также в антиблокировочных сис­темах (АБС), системах регулирования тягового условия (РТУ), в ак­тивных и полуактивных подвесках, навигационных системах и систе­мах контроля детонации в двигателе. А новое поколение миниатюр­ных датчиков — трехмерные структуры, выполненные в кремнии, могут получить применение в новых областях. В системе с акселеро­метрами, измеряющими ускорения вертикальных перемещений колес (например, в активных подвесках),и датчиками, измеряющими воздей­ствие водителя на рулевое колесо, можно определять поперечное уско­рение без использования сигнала другого акселерометра для управ­ления АБС и системой РТУ. В ближайшие годы будет наблюдаться рост числа датчиков на автомобиле (рис. 4), но долгосрочная тенден­ция пока не ясна.

  В некоторых (но не во всех) случаях акселерометры могут быть заменены оптическими датчиками. Основанные на использовании ин­фракрасных излучателей (светоизлучающих диодов) и детекторов, эти оптические датчики могут быть использованы для измерения скорости автомобиля, его положения и высоты, уровней жидкостей в гидросис­темах и светового потока, для определения состава рабочей смеси в случае многотопливного двигателя. Однако широкого распростране­ния оптические датчики не получат до освоения волоконно-оптичес­кой технологии и мультиплексирования. До того времени оптические датчики будут применяться в тех случаях, когда они имеют очевидные функциональные или экономические преимущества.

Рис. 4. Применение датчихов в электронных системах управления

  В настоящее время имеется, однако, одна технология, которая может быть использована практически во всех существующих элек­тронных системах — это полимерные толстые пленки (PTF) с электропроводящими наполнителями (серебром, углеродом, нике­лем, медью).

Как и всегда, имеется одно препятствие для широкого распростра­нения толстопленочной технологии — высокая стоимость. В тех слу­чаях когда миниатюризация, сокращение числа деталей и облегчение пространственной компоновки не являются главными задачами, тол­стопленочная технология не дает ощутимого выигрыша.

  Интеллектуальные датчики

  Датчик давления, объединенный с микрокомпьютером, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь, дает возмож­ность точно измерять давление и поддерживать взаимодействие с центральным компьютером или с другими компьютерными узлами уп­равления автомобиля. Датчики, которые сочетают полностью совмес­тимый преобразованный сигнал на выходе и пьезорезистивный эле­мент с линейной характеристикой, представляют собой новое поколе­ние «интеллектуальных» датчиков давления на базе интегральных микросхем. Такие датчики выполняют основные функции преобразования сигнала для взаимодействия с системой и компенсации влияния температуры, обладают памятью для автокалибровки, обеспечивают автокомпенсацию и (или) адресуемость и интерактивную связь с мик­ропроцессором. Сочетание усовершенствований датчиков и микро­процессоров обеспечивает все функции, необходимые для получения действительно «интеллектуального» датчика всего на двух полупро­водниковых компонентах.

  Сначала берутся две кремниевые пластины, чтобы сделать пьезорезистивный кремниевый датчик давления. Верхняя пластина протрав­ливается до тех пор, пока не получится тонкая квадратная диафрагма толщиной примерно 0,025 мм. В дополнение к квадратной эталонной диафрагме, служащей для измерения абсолютного давления, датчик позволяет прикладывать атмосферное или эталонное давление к одной стороне прибора через отверстие, полученное путем микрооб­работки в кремниевой ограничивающей пластине. Электронная схема необходима, чтобы отрегулировать смещение нуля и диапазон измере­ний, скомпенсировать влияние температуры, а также получить усилен­ный сигнал на той же микросхеме, что и диафрагма. Четырехкаскадная схема подгоняется в интерактивном режиме с помощью лазера гоже в единой монолитной структуре в дополнение к основному чувст­вительному элементу.

  Компоновка дополнительной схемы завершается кремниевой пло­щадкой, необходимой для поддержки диафрагмы. Лазерная подгонка выполняется на возможно ранней стадии сборки. Так как корпус, ис­пользованный для полностью интегрального датчика, подобен корпусу базового элемента, то могут быть применены сборочные технологии, оборудование и статистический контроль, разработанные для массо­вого производства.

  Остальные элементы системы строятся на базе 8-битового микро­процессора, аналого-цифровой преобразователь состоит из 8-битово­го преобразователя с последовательной аппроксимацией и 16-каналь-ного мультиплексора. Восемь каналов необходимы для входного сиг­нала, а другие восемь отведены для внутренних тестовых функций. Имеется также 8-битовый управляющий регистр состояния, который используется для индикации того, что генератор и источники тока стабилизированы и что преобразование завершено. Результат сохра­няется в отдельном 8-битовом регистре.

  Так как микрокомпьютер Motorola MC68HC05B6 имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и больше возможности, чем требу­ется во многих случаях, была разработана методология, которая по­зволяет определять, какие заказные микроконтроллеры должны быть сконструированы в соответствии с требованиями конкретного случая. Микросхема CSIC (Customer Specific Integrated Circuit — заказная интегральная схема) — отличается от ASIC (Application Specific Integrated Circuit — специализированная интегральная схема) достижимы­ми рабочими параметрами и плотностью компоновки. Микросхема ASIC обычно имеет кристалл больших размеров из-за применения средств автоматизированного проектирования.

  Раздельное совершенствование и чyвcтвитeльнocти и «интеллекту­альности’’ может быть использовано для реализации лучшей комбина­ции этих свойств.

  Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных датчиков

  В отечественном авто- и тракторостроении до недавнего времени датчики использовались в основном в системах контроля за работой двигателя; номенклатура и конструкция этих традиционных дат­чиков установились в начале 70-х годов. Совершенно новое по­ложение сложилось с появлением систем автоэлектроники: для таких систем требуются датчики значительно более высокого тех­нического уровня, главным образом электронные, при производстве которых используются современные микроэлектронные технологии групповой обработки.

  Микроэлектронные датчики абсолютного и относительного давле­ния воздуха ДДА-100Р; ДДА-100А; НДП-1 (рис. 5) созданы совместно с предприятиями МНТП „Инсеп“ (г. С.-Петербург) и МХО „Новокон“ (г. Раменское Московской обл.), выпускаются серийно. Все датчики выполнены с кремниевым монокристаллическим тензопреобразовате-лем в виде мембраны с тенэорезисторами и схемой термокомпенсации. Они предназначены для микропроцессорных систем управления авто­мобильными двигателями и по некоторым параметрам, как видно из табл. I, превосходят аналогичные датчики зарубежных фирм (напри­мер, датчик 136RC15A2).

Рис. 5. Датчики давления:
а —ДДА-100Р; 6 —ДДА-100А;в - НДП — 1

  Датчики угла и угловой скорости на эффекте Холла (рис. 6) содер­жат многополюсный магнитный ротор, который действует на специальную микросхему с элементом Холла, что обеспечивает (в зависи­мости от числа полюсов) от 4 до 10 импульсов на оборот.

  Существует три варианта таких датчиков для применения в щитко­вых приборах контроля, электронных спидометрах или тахометрах, в маршрутном компьютере. Их производитель — АО „К’ЗАМЭ“.

  Основные характеристики датчиков скорости следующие:

Диапазон измерения, мин» '…………………………………. 0…35О0

Напряжение, В:

питания………………………………………………………. 5— 18

логической единицы…………………………………….. 0,9U_n

логического нуля ………………………………………. 0,3

Диапазон рабочих температур, К(°С) ………………… 238…398(-40.i.-H25)

Рис. 6. Датчики скорой и: а — с проходным валом (1-й ва­риант); б — то же (2-й вариант);в — с непроходным валом

  Датчики температуры жидкости и воздуха (рис. 7) построены на одной и той же микросхеме, имеют линейную характеристику с чувствительностью 10 мВ/К, что обеспечивает большой сигнал, совмести­мый с современными АЦП (табл. 2). Разработанные датчики темпера-

Рис. 8. Приборы контроля уровня жидкости: а — масляный щуп;

б — датчик уровня жидкости в гидроусилителе рулевого управления

туры воздуха 29.3839 и жидкости 22.3828 готовятся к серийному про­изводству. Они имеют значительно большие погрешность и инер­ционность, чем датчик температуры жидкости 19.3828, который вы­пускается АО «КЗАМЭ».

  Микроэлектронные датчики контроля уровня жидхости выпол­нены на основе единого фольгового терморезистора. Они приме­няются в масляном шупе для автомобилей ВАЗ-2108 и ВАЗ-2110 и для контроля уровня жидкости в гидроусилителе рулевого уп­равления автомобилей УАЗ.

  Основные характеристики датчиков (рис. 8) следующие:

  Температурный рабочий диапазон, К(*С)…………. 213…398 (-60…+125)
  Погрешность контроля уровня, мм………………….. +/- 1

  Применение единого терморезистора и простой микросборки по­зволяет проектировать датчики на один или несколько контрольных уровней автомобильных жидкостей.