Микромеханический расходомер массы воздуха с использованием нагревательной пленки

Растущая потребность в снижении эмиссии CO₂ увеличивает полезную роль датчика массового расхода воздуха (рис. 7.8) в регулировании соотношения воздух/топливо для оптимизации процесса сгорания. Двигатели с искровым зажиганием и электронным дозированием подачи топлива в качестве основного управляющего параметра используют именно расход воздуха.

В датчике массового расхода воздуха (ДМРВ) находятся температурные датчики и нагревательный резистор. Проходящий воздух охлаждает один из датчиков, а электронный модуль преобразует эту разность температур датчиков в выходной сигнал для контроллера. Контроллер использует информацию от датчика для определения длительности импульса открытия форсунок.

В датчике используется три чувствительных элемента, один из которых определяет температуру окружающего воздуха, два других нагреваются до известной температуры, превышающей температуру воздуха. В процессе работы двигателя поступающий к нему воздух охлаждает нагреваемые элементы. Классическая, но несколько устаревшая методика определения массового расхода воздуха основана на измерении электрической мощности или тока, необходимого для поддержания заданного превышения температуры.

Рисунок 7.8 - Современные автомобильные датчики массового расхода воздуха:

а — микромеханический датчик массового расхода воздуха Bosch; б — эволюция измерительных технологий Bosch; в — измерительный принцип микромеханического сенсорного элемента Bosch; г — датчики массового расхода воздуха Hitachi; д — датчики массового расхода воздуха Visteon; е — датчик массового расхода природного газа Hitachi; ж, з, и — датчики массового расхода воздуха SiemensVDO Integrated Mass Airflow (SIMAF); к — датчик расхода вторичных масс воздуха SiemensVDO.

Сегодня актуальны микромеханические MEMS-расходомеры массы воздуха, включающие тонкопленочные нагреваемые и управляющие электронные элементы, размещенные на одной подложке (рис.7.8а–в). Нагреваемые и измерительные резисторы выполняются в виде тонких платиновых слоев, депонированных на поверхность кристалла кремния, который устанавливается на утонченную подложку (подобная концепция используется и в датчиках давления). Датчик температуры подогревателя и датчик температуры окружающего воздуха помогают поддерживать нагревательный резистор на постоянном уровне превышения температуры.

Более новый метод, разработанный Bosch для получения выходного сигнала, не требует измерять ток подогрева, вместо этого сигнал выводится из разницы температур воздуха, замеряемых двумя датчиками, расположенными по обе стороны от нагревательного резистора — на пути потока по ходу его движения и навстречу ему. Дифференциальный сигнал показывает и направление движения потока. Дополнительная возможность — обеспечивать сигнал с датчика температуры.

Hitachi производит датчики массового расхода воздуха также на основе датчика температуры (рис.7.8г). Hitachi также расширила линейку ДМРВ до датчиков природного газа (рис.7.8е), которые устанавливаются в грузовиках, использующих природный газ в качестве топлива.

Датчики массового расхода воздуха Visteon имеют камеру оценки воздуха, работающую в широком динамическом диапазоне (рис.10.8д). ДМРВ Honeywell включают тонкоплёночные изолированные мостовые структуры, включающие нагреватель и сенсорный элемент. Мостовая структура позволяет увеличить чувствительность датчика к изменениям расхода воздуха и других газов.

Датчики массового расхода воздуха SiemensVDO Integrated Mass Airflow (SIMAF) Sensor включают два плёночных термочувствительных резистора, соединённых в мостовую схему. Необходимая для поддержания температуры мощность измеряется как падение напряжения на одном из резисторов. В электронной схеме есть перепрограммируемая память. Концепция SiemensVDO предполагает также получение с датчика массового расхода воздуха сигналов температуры, влажности и объёма.