ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДАТЧИКАМ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Технические требования к датчикам автомобильных электронных систем управления, обусловленные методами регулирования и условиями эксплуатации

В зависимости от типа автомобиля, его назначения, режима работы и условий движения меняются нагрузочный и температурный режимы и суммарное время работы электронных систем управления. Анализ температурных и вибрационных полей в местах установки изделий электроники и датчиков позволяет сформулировать к ним типовые требования по температуре, вибрации, внешним электромагнитным полям и перенапряжениям в бортовой сети автомобилей. Эти требования сведены в табл. 3.1—3.3.

Влияние дестабилизирующих природных и биологических факторов на датчики систем автоэлектроники. Характерные отказы датчиков в эксплуатации

Под влиянием дестабилизирующих, природных факторов (температура, влажность, радиация) в комплектующих, материалах и в изделиях электронной техники протекают сложные физико-химические процессы, изменяющие их свойства и вызывающие отказы датчиков. В этой связи при разработке датчиков ЭСАУ необходимо иметь достоверную информацию об изменении характеристик конструкции и

Таблица 3.1. Вибрационные нагрузки

Таблица 3.2. Условия эксплуатации систем автоэлектроники и датчиков ЭСАУ

Таблица 3.3. Параметры импульсных напряжений бортовой сети

* Срабатывание предохранителей, запуск двигателя внутреннего сгорания от посторонних источников, при отключении аккумуляторной батареи и т. д.

чувствительных элементов датчиков при воздействии на них климатических факторов. Необходимо отметить, что конструктивное исполнение датчиков ЭСАУ влияет на чувствительность и работоспособность их при дестабилизирующих воздействиях. Это относится в первую очередь к тепловому режиму датчиков. Взаимное расположение теплоизлучающих и теплочувствительных компонентов вблизи датчика может увеличить или уменьшить надежность их конструкции. Поэтому применение новых материалов, позволяющих выравнивать тепловое поле внутри датчика и отводящих тепло в окружающую среду, может существенно поднять конструкционную надежность. Например, заливочные компаунды и гели, применяемые для герметизации конструкции датчиков, позволяют снизить предельную температуру всего датчика. Следует отметить, что применение теплостойких материалов и чувствительных элементов повышает работоспособность датчиков в подкапотном пространстве автомобиля, где в настоящее время практически дорог каждый кубический сантиметр объема, связанный с переходом на переднеприводную компоновку, расположение элементов системы нейтрализации отработавших газов и т. д.

Определенную опасность для датчиков в автомобилях несут резкие колебания температуры окружающей среды из-за применения в конструкциях сопряжении деталей из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКР). При этом при изменении температуры ДГв сопряженных деталях датчика возникают механические напряжения у:

у = Е (а, - а₂) АТ,

где Е — модуль упругости;

а_)? а₂ — ТКР первой и второй сопряженных деталей.

Высокие температуры вызывают изменение объема корпусных элементов датчиков и старение материала, в том числе и чувствительных элементов. Эти физические процессы приводят к конструкционным отказам, связанным с разрывами, деформациями и поломками. В датчиках на электронных компонентах повышение температуры вызывает изменение электропроводимости, диэлектрических свойств, диффузию и электродиффузию, ионизацию примесей и химические реакции в полупроводниковых материалах. Как результат нестабильность и деградация электрических параметров чувствительных элементов, возникновение тепловой неустойчивости и теплового пробоя диэлектриков, />-/7-переходов и диэлектрических материалов.

Низкие температуры приводят к изменению объема компонентов датчиков и к старению материалов, что способствует появлению конструктивных дефектов в виде поломок и деформаций. Низкие температуры изменяют электрофизические свойства материалов чувствительных элементов, вызывают растрескивание кристаллов полупроводниковых приборов и электрохимическую коррозию соприкасающихся металлов из-за образования росы и инея.

Резкие изменения температуры вызывают изменения электрофизических параметров материалов, механические напряжения (особенно в местах соединений различных материалов), обрывы и короткие замыкания в обмотках датчиков и потерю герметичности корпуса датчика. У полупроводниковых чувствительных элементов датчиков возникают перемежающие отказы, связанные с механическими повреждениями в местах сочленения кремния, окиси кремния, кремния — металлизации, металл — стекло и т. д.

Высокая, низкая влажность и изменение влажности способствуют появлению конденсата, росы и вызывают коррозию металлов, ухудшение изоляционных свойств материалов и диэлектриков и изменение объема детали из-за набухания влагой. Эти физико-химические процессы могут приводить к электрическим отказам датчиков, связанным с пробоем изоляции и подгаром электрических контактов, потерей герметичности.

Влажность воздуха оказывает на материалы элементов датчиков следующее влияние:

• • адсорбцию паров воды поверхностью материала;
• • сорбцию паров воды материалом, диффузию и растворение паров воды в материале;
• • электрохимическую (гальваническую) коррозию металлов;
• • электролитическую коррозию металлов (разрушение металла под действием электрического поля);
• • контактную коррозию (процесс разрушения металлов в присутствии электролита вследствие образования гальванической пары при контакте металлов с различными электрохимическими потенциалами).

Эти электрохимические и гальванические процессы приводят к нестабильности и деградации электрических параметров чувствительных элементов и интегральных микросхем, к обрывам и коротким замыканиям пленочных проводников и к пробою диэлектриков. При этом могут происходить изменения электрофизических свойств материалов за счет увеличения удельной, объемной электропроводимости; тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков; инверсии заряда; миграции ионов примесей из-за их ионизации и увеличение токов утечки по поверхности.

Влияние загрязнения атмосферы пылью, песком, морской солью и химическими, промышленными отходами на изделия ЭСАУ и их характерные отказы вызывает возникновение повышенных износов в трущихся парах. Загрязнения приводят к снижению сопротивления изоляции, к химическому разложению и ухудшению электрических контактов, из-за химической коррозии и износов уменьшается механическая прочность деталей и т. д.

В датчиках электронных систем управления из-за присутствия в атмосфере морских солей, промышленных и химических примесей возникает электролитическая, контактная коррозия, которая вызывает нестабильность и деградацию электрических параметров и потерю герметичности корпусными деталями.

Влияние радиации (различают ультрафиолетовое, инфракрасное и радиоактивное — ионизирующее излучения) на датчики в процессе эксплуатации проявляется в изменениях покрытий.