MEMS技術的智能化硅壓阻汽車壓力傳感器

　　摘要：文中介紹通過采用MEMS（microelectromechanicalsystems）技術制造的硅壓阻力敏元件結合智能集成化信號調理技術設計了適合批量制造的小型化堅固封裝的通用汽車壓力傳感器。通過智能調理技術將傳感器的零位和滿度進行溫度校準實現了寬溫度工作范圍內的高精度測量，并且適合于批量制造。
　　
　　引言
　　
　　當今汽車性能的不斷提升得益于汽車電子的不斷發展。其中具有代表性的核心元件是傳感器。傳感器將各種物理信號轉化為電信號從而將汽車行駛的具體狀態傳送給電子控制單元來實現汽車控制。作為汽車電子的關鍵部件在電子技術蓬勃發展的今天倍受矚目。美國汽車傳感器弗萊明在2000年的汽車電子技術綜述就指出了MEMS技術在汽車傳感器領域的美好前景。設計了基于MEMS技術和智能化信號調理的擴散硅壓力傳感器應對汽車壓力系統的壓力檢測。
　　
　　1、傳感器原理及封裝設計
　　
　　為了將壓力信號轉化為電信號采用了應變原理，將惠斯頓檢測電橋通過MEMS技術制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個集應力敏感與力電轉換為一體的敏感元件。如圖1所示。　　　　
　　當硅芯片受到外界的應力作用時，硅應變電橋的橋臂電阻將產生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測模式。如圖2所示。　　　　
　　其輸出電壓表示為vo=KAR／R（Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4）。
　　
　　因為電阻的變化直接與應力P有關，則：　　
　　式中：Vo為輸出電壓，mV；S為靈敏度，mV／V／Pa；P為外力或應力，Pa；VB為橋壓，VOS為零位輸出，mV.
　　
　　單一的硅片芯片只能作為一個檢測單元的一部分無法獨立完成信號的轉換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環靜電封接在一起。
　　
　　PYREX玻璃環作為硅芯片的力學固定支撐彈性敏感元件并且使硅芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環的孔恰好成為了傳感器的參考壓力腔體和電極引線腔體。其結構如圖3所示。　　　　
　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進壓的腔道后成為一個可安裝的壓力測量前端，見圖4。　　　　
　　此封裝技術可以承載至少15MPa的壓力，若經特殊處理可承載100MPa的壓力。
　　
　　2、傳感器的倍號智能調理設計
　　
　　如圖2傳感器輸出電壓信號Vo=VB△R／R（R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4），在理想狀態下其信號輸出是一個線性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導體傳感器其受溫度的影響比較大。這使得傳感器在環境溫度變化時輸出呈現變化，影響讀出精度。對圖2的電橋加入溫度對電橋的影響得出下式：　　
　　但是在汽車應用環境中溫度的影響很大，所以必需采用補償技術。圖5為一組實測得的未補償過的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線圖。顯而易見，在汽車常用的工作溫區，溫度引入的讀出誤差達到了10％左右，這顯然是不允許的。傳統的補償方法是在橋臂上串并聯電阻法補償，為提升工作效率采用激光修調預先制作在陶瓷基板上的厚膜電阻網絡的辦法來實現。但是此法有很多的缺點和局限性，并且寬溫度區的補償后精度也僅為2％～3％，達不到汽車測壓的要求。　　　　
　　通過采用數字化的信號處理將傳感器的微弱信號轉化為標準電壓信號，并且植入模型算法將輸出的標準信號補償到一定的精度范圍內，是當代的傳感器信號調理技術。
　　
　　信號處理鏈路框圖，圖6所示。　　　　
　　在溫度傳感器的輔助作用下通過信號轉換開關分時讀取壓力與溫度的數值，通過可編程增益放大器將微弱信號放大，再經過ADC量化傳感器的信號進入數字處理器計算當前溫度和壓力下的補償后壓力輸出給數模轉換DAC輸出模擬信號。而溫度補償則可以通過通訊接口將參數寫入EEPROM供數字處理器計算時調用。如此多的功能部件均可集成制作在一塊單一芯片上，使得ASIC電路很容易和MEMS技術制作的壓力敏感芯片封裝在一個小巧的殼體中。
　　
　　在寬溫度范圍內實測校準后的傳感器有效抑制了溫度變化對其產生的影響。如圖7所示的多只標準信號輸出的傳感器寬溫度校準數據曲線：不難看出，在寬溫度工作環境下采用此法校準的傳感器的讀出溫度誤差約為1％一2％FS，達到寬溫度的高精度測量要求，且通過多通道的通訊接口進行校準的方法與批量制造技術兼容，實現制造車用傳感器的高性價比的要求。　　　　
　　3、綜合封裝與結論
　　
　　將傳感器與信號調理電路板封裝在一個直徑23mm高27.5mm的不銹鋼金屬殼體內并且在傳感器的一端使用接插件的方式作為信號連接，方便測試及維護。總體封裝后如圖8所示。　　　　
　　該MEMS硅壓阻汽車壓力傳感器在MEMS技術、封裝技術與信息技術的結合下成為一個具備高性價比的實用化產品。是當代*技術的結合，值得重視其發展。