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壓力傳感器在汽車上的應用

據麥姆斯咨詢報道，幾乎所有的汽油車都是由發動機控制模塊（engine control module，ECM）與傳感器和執行器一起組成發動機控制系統。該系統最關鍵的輸入把控則是歧管絕對壓力（MAP）傳感器。在“速度密度式”狀態下，MAP傳感器能夠偵測發動機中流動的空氣情況，從而確定噴油時間和提前點火時間以實現最佳運行。即使是依靠對進氣量進行直接測量的車輛也需要配備大氣絕對壓力（BAP）傳感器，主要用于高氣壓測量補償。如今生產商每年都生產數以千萬計的MAP和BAP傳感器，過去十年里推動了幾代壓力傳感器模組的設計。

如今，MAP和BAP傳感器的主要設計是源于硅微加工的壓阻式壓力傳感器。它們大多數用于乘用車中，為微機械壓力傳感器技術在其它新興汽車產業中的應用奠定了基礎氣體壓力傳感器，例如廢氣再循環系統（EGR）中的壓力測量、燃油系統中的蒸發排放物泄漏以及燃料噴射系統的壓力測量等。

壓力傳感器元件

采用體微加工技術在硅晶圓上制造壓阻式傳感器，已成為生產汽車壓力傳感器的主要技術之一。壓阻式絕對壓力傳感器元件采用體微加工技術在背面形成真空腔，該結構一問世就廣受歡迎，成為MAP/BAP應用的必要元件。然而近期，表壓和差壓結構，以及僅為消除應力增加的背面約束（backside constraint）結構（見圖1），目前已進入量產階段。

圖1：為了滿足汽車市場所需的廣泛應用，傳感器制造商必須能夠提供多種傳感器元件結構，以分別測量絕對壓力、表壓或差壓的壓力范圍。

信號調理和校準

硅微加工的壓力傳感器元件在不同生產批次之間以及整個溫度范圍內的參數變化較大（見圖2）。為了讓汽車制造商可以獲得真正可互換的壓力傳感器模組，傳感器研發人員必須對每個傳感器進行單獨校準和溫度補償。

圖2：批量處理的硅微加工壓阻式傳感器元件在圓片與圓片之間、批次與批次之間呈現出器件間的差異。各個壓阻元件也隨溫度產生很大變化。因此，在傳感器模組的最終組裝過程中，需要對單個封裝后的傳感器進行單獨的修正和校準。

通常的方法是在信號調理電路中運用某種調整（修正）方式。制造和組裝工藝以及成品傳感器模組的電氣性能要求有助于確定信號調理電路的實現方式。該電路的集成技術（如CMOS或Bi-CMOS技術）主要取決于所選的修正技術。

模擬信號調理

起初，汽車壓阻式壓力傳感器包含模擬信號調理電路，采用安裝在PCB上現成的封裝后的Bipolar（雙極）IC設計工藝來構建。所有必要的調整都是通過沉積在陶瓷襯底上的厚膜電阻網絡的激光修正來完成的，然后再以修正組件的形式嵌入PCB中。后續混合電路技術的進步使得技術人員能夠在制造包含印刷厚膜電阻的陶瓷襯底的同時，又能以封裝或裸芯形式來安裝信號調理IC。技術進步之后，這些傳感器模組就變得非常緊湊，其中大部分目前仍在沿用。這種成熟的制造工藝為需求中等尺寸的應用提供了經濟高效的傳感器模組氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器，其厚膜電阻的穩定性和精度也足以滿足客戶要求。

然而，由于汽車行業對低成本元件的持續驅動，迫使技術人員研發更高級別的集成技術，最大限度降低壓力傳感器模組的元件數量和組裝成本。隨后，通過將模擬有源電路與無源薄膜可修正電阻集成在同一芯片上，制造商大大減小了傳感器模組的尺寸，并提高了傳感器性能，這主要是因為薄膜電阻器具有優異的穩定性。此集成技術開創了雙芯片解決方案，一顆芯片是傳感元件，另一顆芯片是薄膜電阻IC。而單片（單芯片）解決方案是將傳感元件、有源電路和薄膜電阻集成在同一顆硅芯片上，并適用于大批量生產。

所有上述信號調理電路本質上都是模擬的，并假設激光修正是連續的。

離散模擬修正

壓阻式壓力傳感器的第二種信號調理：離散模擬修正，是基于離散而非連續的調整。在這種情況下，可以通過熔化電阻絲，以使電阻或電流值達到期望值。傳感器信號的處理仍然保持模擬形態，但是校準和修正是通過離散步驟完成的。這可能會對傳感器的精度、分辨率和權限范圍有所限制。離散模擬信號調理方法可以進一步擴展，因為調整水平可以存儲在非易失性存儲器（nonvolatile memory，NVM）中，并以CMOS技術來實現。用離散模擬方法制造的壓阻式壓力傳感器通過混合技術采用了兩顆芯片。一顆芯片是將校準系數存儲在EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除可編程只讀存儲器）中并以CMOS技術來實現；另一顆芯片包括傳感元件和放大器，以Bipolar技術來實現。

數字解決方案

壓阻式壓力傳感器的信號也可以使用數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）進行調節。通過該方法，壓力和溫度信號被數字化，然后作為DSP算法的輸入。使用算術運算實現校準和溫度補償，之后再將數字信號轉換回模擬域。

數字解決方案需要一些內存，因此CMOS技術最適合。雖然汽車制造商們已對此解決方案考慮了很多年，然而，真正實現需要多顆芯片，并且相對較高的成本使其并不適合汽車應用。隨著更加先進和高度集成的CMOS工藝和微控制器/DSP技術的發展，此解決方案將會變得越來越普遍。關于用于此目的的標準微處理器設計的芯片大小和電路成本是否會與靈活性較低（但尺寸較小且成本較低）的可定制執行特定傳感器校準功能的專用DSP設計相競爭，仍然存在爭議。

照片1中所示的集成式壓力傳感器使用定制DSP和NVM來校準和溫度補償一系列壓力傳感器元件，適用于各種汽車應用。

照片1：此單片壓力傳感器使用定制DSP和NVM來校準和溫度補償片上壓阻式壓力和溫度傳感元件。數字信號處理方案還可為客戶特定功能提供編程設計。

該可編程信號調理引擎使用校準算法在數字域中運行，該算法解決了超出大多數模擬信號調理方法領域的高階效應。單片傳感器可提供增強特征，這些特征通常在芯片外（或者根本不在芯片上）用傳統的模擬信號調理解決方案（使用激光或電學修正）來實現。專門開發的數字通信接口能夠在模組完全組裝和封裝后，通過連接器引腳校準各個傳感器模組。取消修正后處理，在制造流程完成時將校準和模組定制作為生產線最終測試的組成部分來執行。壓力傳感器元件可在亞微米混合信號CMOS晶圓制造過程中被一同處理，而且可以擴展到各種汽車壓力傳感應用中。數字和模擬傳感器輸出均適用。

制造和組裝注意事項

壓力傳感器模組組裝工藝在制造商決定使用哪種修正和校準方法中扮演重要角色，因此也會影響電路設計。激光修正方法需要在組裝過程中的某個中間點對模組進行光接入，以執行校準。該步驟通常涉及溫度和壓力的應用，因此需要對復雜的生產夾具進行仔細維護和校準。由于目前所有量產汽車壓力傳感器設計都需要某些特定的校準，以確保在客戶層面的可互換性氫氣檢測儀，因此修正成為對制造成本和生產率產生重大影響的關鍵步驟。對于單片和薄膜修正設計來說尤其如此，其中涉及到的微型尺寸和更高精度使模組組裝變得更具有挑戰性。

此外，后修正（post-trim）的制造操作步驟可能會在模組進行最終測試之前出現輸出偏移，因此在最終測試時，該操作則可能會引發參數不合格。考慮到這些因素，制造商仍在繼續尋求電氣修正方法，使成品模組能夠以最終形式進行測試和修正。

汽車硅壓阻式壓力傳感器的集成發展遵循IC行業的總體趨勢（見圖3）。

圖3：更高級別的傳感器集成和校準技術與IC工藝技術的發展趨勢同步。

表1總結了一些用于校準、補償、修正和集成硅微加工壓阻式壓力傳感器的不同方法。

表1：壓阻式壓力傳感器的信號調理和修正方法

傳感器的電學要求

除了基本的參數精度之外，汽車傳感器還必須滿足其它操作環境和系統要求。表2節選了部分必須要考慮的因素。

表2：傳感器的電學要求

有些因素非常具有挑戰性，往往會成為重要的成本驅動因素。在設計過程中它們可以很容易地將原本簡單的信號調理電路復雜化。電磁兼容性（EMC）等細節也會影響封裝設計和模組組裝過程。例如，EMC缺乏足夠的電氣解決方案就意味著可能需要額外的組件和屏蔽來進行保護。

封裝：汽車壓力傳感器設計的封裝組件至關重要，原因有三：

1. 成本

2. 尺寸

3. 惡劣環境下的穩定性

使用微機械加工器件的封裝和組裝產成本通常超過器件本身，因此，如果想要這樣的產品在市場上取得成功，成本則是重要的考慮因素。

傳感器元件封裝

傳感器元件的安裝和封裝必須滿足兩個互相矛盾的要求：即為了進行測量，傳感器必須與壓力傳感介質緊密接觸，同時還能抵抗介質的不利影響，例如電氣互連引起的腐蝕或可能導致傳感器輸出偏移的應力。這兩項要求對材料工程師開發出定制的聚合物密封劑和芯片粘接材料來安裝和鈍化傳感器元件提出了嚴峻的挑戰。

圖4：定制聚合物密封劑和芯片粘接材料、詳細的結構建模和獨特的組裝工藝是構建耐介質影響的傳感器模組所必需的。圖示為安裝在燃油箱中的傳感器模組中的蒸發排放傳感器元件。

基板和芯片粘接材料的選擇因制造商而異，但它們在惡劣環境中都必須足夠穩定，以防止極低壓、高應力敏感元件的長期輸出漂移。用于測量燃料噴射壓力的傳感器也出現過類似的情況：長期暴露在液體燃料和高壓下，需要小心選擇合適的材料和創建幾何結構，以提供穩定可靠的傳感器。設計這些傳感配置涉及大量的結構分析、機械應力測試和介質暴露測試等。

許多制造商青睞的另一種元件封裝技術包括帶有電氣真空穿通密封件（electrical feedthrough）的金屬集管和背面壓力接入端口。這種組裝方法可以使排放氣體密封在密封罐中或者直接排放到大氣中，以提供表壓測量。此技術的成本往往比背面壓力封裝更高，在背面壓力封裝中，元件只需直接安裝到有信號調理電子器件的基板上。然而，這是電子行業眾所周知的穩健方法，而且使用單芯片集成傳感器的信號調理結構可使成本損失最小化。它不需要再開發必須承受測量介質的定制密封劑。

傳感器模組封裝

傳感器模組封裝最普遍的方法是嵌入包含引線框的模制塑料外殼，該引線框可為汽車線束連接器提供接口。金屬鑄造外殼很久之前就被使用了，有些目前仍在生產中，但應用已經很少了。塑料制模和沖壓引線框封裝技術已經被廣泛開發并應用于各種汽車電子模塊中，且已適應于在引擎蓋下使用的壓力傳感器，以提供防風雨、環境魯棒性強的模組。表3列出了測試這些模組及其內置元件以確保車輛使用壽命超過10年或超過10萬英里的條件示例。

表3：汽車可靠性要求

經過多次環境測試，汽車壓力傳感器通常都可以將其穩定性保持在0.1%~0.3% F.S.S的范圍內。在長期而嚴苛的測試中，例如涉及測試條件組合的測試，或者試圖誘發故障的測試，這些傳感器仍然可以將穩定性保持在1% F.S.S。

目前有兩種基本方法可將傳感器元件和電子元件組裝在塑料模塊內。其中一種方法是先使用基板來組裝元件，然后再將基板嵌入并附接到殼體和引線框上。這種技術有助于開發多芯片結構，特別是那些需要額外無源元件來實現過壓或EMC保護的結構。需要多個密封件來確保精確的壓力測量，同時仍然保持模塊的完整性，以避免外部污染或泄漏到外殼上。

目前已經有一些制造商推出了直接安裝在外殼上的傳感器和信號調理芯片模組，從而可消除使用單獨基板的成本（見圖5）。這對于高度集成的傳感器設計尤其有利，例如需要很少或完全不需要額外無源元件的單片傳感器。

圖5：直接安裝在模組上的單片壓力傳感器簡化了制造過程，并通過消除使用單獨基板或中間芯片級傳感器元件封裝的需求，提高了現場可靠度測試。

當然，封裝的尺寸受到其封裝元器件大小的限制，隨著傳感器和電子器件集成水平的提高，封裝尺寸也會變得越來越小。照片2展示了MAP傳感器封裝尺寸的演變過程酒精報警器，幾乎已經達到現有技術下最小的幾何尺寸。這歸功于汽車制造商對指定的連接器尺寸、壓力端口和安裝方案的限制。

照片2：最成熟的汽車壓力傳感器應用——MAP傳感器的結構已經從PCB組裝的分立元件發展到更簡單的帶有厚膜電阻的混合基板。使用片上薄膜電阻器可以進一步縮小混合電路的尺寸。

商業考慮因素

汽車微機械壓力傳感器商業開發中的關鍵考慮因素之一是需要大批量應用驅動（例如MAP傳感器），其可提供廣泛適用于其它壓力傳感器產品的基礎技術。然后，可以利用傳感器元件設計技術、工藝能力和制造資本的安裝基礎來提供學習曲線效應，從而有利于并加速新應用產品的引進和增長。產品驅動的市場規模需要有足夠大的單位數量、絕對金額和利潤率，從而來證明進入市場所需的資源和投資水平是合理的。

微機械加工器件可能是高附加值產品的關鍵賦能技術，這些產品對子系統制造商具有重要的戰略意義。例如用于發動機控制的MAP傳感器、用于氣囊系統的加速度計以及用于車輛動力學系統的慣性傳感器等。微機械加工器件可以創造一種“技術非線性”，為供應商提供產品開發能力，使其能夠區別于其競爭對手。各種級別的產品集成，例如具有多個傳感器的模組，或與執行器和控制功能相結合的傳感器，同時也能夠與汽車制造商的子系統采購趨勢保持一致。

結論

從汽車壓力傳感器技術的發展演進來看，顯然還需要更多技術和能力來生產成功的商業化產品。如機械封裝方面的專業知識、材料科學、電路和系統設計、集成電路設計、大批量修正、測量和生產組織，以及滿足終端用戶系統需求的應用工程都是有助于傳感器制造商成功的重要因素。

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