汽車壓力傳感器的設(shè)計與制造

汽車壓力傳感器的設(shè)計和制造方法，為這種苛刻的環(huán)境創(chuàng)建堅固耐用的傳感器。涵蓋了材料特性選擇和電路設(shè)計原則。討論了滿足一系列汽車規(guī)格和要求的成本敏感型設(shè)計。分析有缺陷的單元和制造后果，作為改進設(shè)計和制造過程的工具。

傳感器設(shè)計人員承擔的更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一是為汽車市場設(shè)計和制造可靠、堅固的壓阻式傳感器。經(jīng)過多年的反復(fù)試驗，這些設(shè)計人員已經(jīng)開發(fā)出一些實踐和技術(shù)，這些實踐和技術(shù)一次又一次地被證明對汽車應(yīng)用有用。為了啟發(fā)和告知那些使用這項技術(shù)的人（它解決了壓阻式傳感器的主要批量用戶），以下討論揭示了該行業(yè)的幾個技巧。

通常，產(chǎn)品最終成本的 80% 是在設(shè)計工作的前 20% 中確定的。因此，事先了解必要的設(shè)計實踐可以最大限度地降低成本，并提高您在為苛刻的汽車環(huán)境設(shè)計堅固的PRT壓力傳感器方面的成功率。

如果您以前從未設(shè)計過此類傳感器，那么首要任務(wù)是打開最近型號的汽車（也許是您自己的）的引擎蓋，并仔細查看發(fā)動機艙。電線、軟管、連接器和發(fā)動機的巢穴是傳感器可能遇到的最惡劣的環(huán)境之一。考慮一下安裝在發(fā)動機上的傳感器的熱沖擊，該傳感器工作溫度高于100°C，并以70英里/小時的速度突然噴灑泥濘的咸水。此環(huán)境的其他屬性同樣嚴重：

位于乘客艙內(nèi)的傳感器接觸液體和溶劑要少得多，但會受到低溫、水和 EMI 的影響：

對于任一環(huán)境，傳感器應(yīng)具有以下各項：

為了確保傳感器滿足客戶對性能的期望，其規(guī)格和相關(guān)測試文檔應(yīng)嘗試捕獲具有代表性的應(yīng)力和操作條件。您應(yīng)該閱讀并理解這些文檔，但請記住，它們只是代表傳感器所生活的世界的最佳嘗試。成功的設(shè)計基于經(jīng)過驗證的概念、材料和電路。例如，引擎蓋下的任何連接器都代表著數(shù)十年來在設(shè)計、材料和生產(chǎn)技術(shù)方面的工程工作。同樣，僅在幾年前才被接受用于最新型號量產(chǎn)車輛的傳感器可供您查看。您可以研究所使用的技術(shù)、使用的材料，甚至組裝技術(shù)。

汽車技術(shù)維修指南確定了當今大多數(shù)車輛的傳感器和接線。例如，大多數(shù)經(jīng)銷商和汽車零部件商店都可以獲得最新型號車輛的車輛商店手冊（圖 2）。它們包括圖紙、照片和接線電壓電平。你可以從汽車零部件零售商那里買一個傳感器，把它拆開，研究它，然后問問自己為什么它會被制造成現(xiàn)在這個樣子。與您所在組織中的汽車設(shè)計專家交談，并嘗試區(qū)分他們的意見、經(jīng)驗法則、確鑿的證據(jù)和數(shù)據(jù)。此外，還要考慮客戶要求哪些新需求，客戶試圖實現(xiàn)哪些性能、成本或可靠性收益，以及這些要求是否代表他或她當前正在做的事情的邏輯進展。這種取向可能會打開你的思維，并導致“開箱即用”的創(chuàng)新思維。

圖2.顯示接線、連接器和引腳排列信息的購買手冊。

在解決現(xiàn)有設(shè)計中的問題時，您可以從重新閱讀規(guī)范和了解操作環(huán)境中受益。對于典型的汽車傳感器，有幾個規(guī)格很重要（圖 3）。問題是否與特定規(guī)范或測試有關(guān)？如果可能，請生成一個準確的描述，以集中您的調(diào)查工作。要具體，并包括顯示好與壞或問題與無問題的數(shù)據(jù)。應(yīng)評估有趣的異常和其他分散您工作的工件的相關(guān)性并相應(yīng)地進行分箱。也就是說，它們應(yīng)該被保存并納入調(diào)查，標記為未知，或者干脆扔到一邊供以后調(diào)查。關(guān)注現(xiàn)有設(shè)備的基本原因涉及設(shè)計、制造和規(guī)格與使用問題。

圖3.每個傳感器都有詳細說明預(yù)期工作特性和環(huán)境因素的規(guī)格。

如果設(shè)計不可靠，則可能無法支持客戶的期望。例如，在高溫下附著力降低的芯片粘接粘合劑在振動期間可能無法提供足夠的強度來將模具固定到位，或者電路設(shè)計在車輛組裝或服務(wù)期間可能沒有足夠的靜電放電 （ESD） 容差。無論哪種情況，系統(tǒng)在通過其鑒定和設(shè)計驗證壓力測試后都可能在現(xiàn)場失敗。請記住統(tǒng)計數(shù)據(jù)：一些選定的設(shè)備經(jīng)過了設(shè)計魯棒性測試，但生產(chǎn)了數(shù)十萬或數(shù)百萬個器件并進行現(xiàn)場測試。通過仔細的設(shè)計審查和合理的模擬，可以避免大多數(shù)設(shè)計問題。

傳感器設(shè)計中的一個關(guān)鍵學科是識別所有重要特性，即如果在規(guī)格范圍內(nèi)實施，這些特性將產(chǎn)生完美的功能。在制造過程中應(yīng)使用統(tǒng)計過程控制來跟蹤這些特性。對于穩(wěn)定的制造過程，如果您可以確保每個重要特性都在統(tǒng)計過程控制（SPC）設(shè)定的限制范圍內(nèi)，則無需進行測試。SPC 限值與規(guī)格限值有很大不同。如果顯著特性在規(guī)格范圍內(nèi)，那么測試傳感器只是浪費時間。

實際考慮有時會迫使對傳感器進行測試。校準傳感器的壓力和溫度性能通常比將每個子組件指定到實現(xiàn)盲裝和運輸所需的程度更具成本效益。（無論應(yīng)用的持續(xù)改進水平如何，制造都不會達到完全完美的狀態(tài)。了解重要特性并使用SPC跟蹤它們可降低必要的測試和校準水平，從而改善周期時間，產(chǎn)量和（最終）成本。

缺少焊點、不恰當?shù)鼗旌隙嘟M分環(huán)氧樹脂或安裝不合規(guī)格的子組件可能會阻礙其設(shè)計的全部意圖，從而破壞制造設(shè)備的最佳性能。由于此類制造問題每天甚至每小時都可能出現(xiàn)數(shù)千次，因此它們迫使設(shè)計、產(chǎn)品和工藝工程師在制造工廠過夜和周末。解決問題的時間至關(guān)重要。成千上萬的裝配員工正在等待車輛裝配線下游的每個組件，停止流動每天可能花費超過一百萬美元。

一家大型汽車供應(yīng)商的高管說：“對于從客戶那里退回的每一個壞部件，制造骨頭堆中已經(jīng)有十幾個。“骨堆”是制造過程中測試和檢查的后果，故障部件只是那些具有超出測試限值的可測試參數(shù)的零件（測試限值包括規(guī)格限，減去厚度和可重復(fù)性的保護帶）。

有多少設(shè)備侵犯了測試限制但沒有超過邊緣？更重要的是，他們當初為什么要侵占？發(fā)生了什么變化？W. Edwards Deming的職業(yè)生涯就是提出這些問題，他通過將制造業(yè)與統(tǒng)計過程控制相結(jié)合，徹底改變了制造業(yè)[1]。接近邊緣極限的零件與標準不同，并且可能在某種程度上與設(shè)計意圖不同。這種變化或差異是穩(wěn)定的嗎？它是否會隨著時間或溫度而變化并導致現(xiàn)場故障？如果可以分析每個未通過測試或檢查的組件以找到其故障的根本原因，那么通過糾正根本原因，您可以實現(xiàn)穩(wěn)健和微調(diào)的制造過程。骨堆中的每個組件都代表著一個關(guān)于工藝差異、材料差異和尚未發(fā)現(xiàn)的重要特征的故事。

其他故障涉及產(chǎn)品的定義與其實際使用。例如，如果指定工作在0-50psi的傳感器在實踐中暴露在60psi，那么其故障可歸因于定義不明確的規(guī)格。在更微妙的情況下，傳感器被指定為在存在汽車汽油和甲醇的情況下運行。設(shè)計驗證測試包括在規(guī)定的時間、溫度等條件下暴露于汽油和甲醇，但傳感器在現(xiàn)場因明顯暴露于汽油而失效。事實上，暴露在甲醇和汽油的混合物中，其比例證明比單獨的汽油或甲醇對材料更有害。因此，試圖捕獲真實世界條件的規(guī)范和測試定義存在缺陷或措辭不當。傳感器符合其自身的規(guī)格，但不符合客戶的期望。

由于規(guī)格定義與使用情況的許多情況在傳感器設(shè)計周期的后期很難解決，因此應(yīng)閱讀規(guī)格和測試要求，注意傳感器的實際預(yù)期環(huán)境。對于每個規(guī)格項目和測試條件，請問問自己為什么包含它以及正在解決的實際操作條件。不符合此規(guī)范的結(jié)果或含義是什么？

要解決設(shè)計和制造問題，請采用八項學科 （8-D） 問題解決技術(shù)。8-D該流程由一家大型汽車制造商多年前開發(fā)，旨在為確定根本原因和糾正措施提供有效的方法。以下是八個學科：

問題描述

遏制措施

根源

驗證根本原因

永久性糾正措施

驗證永久性糾正措施

預(yù)防復(fù)發(fā)

恭喜團隊！

這種解決問題的技術(shù)迫使刪除個人觀點和“直覺”陳述，并引入事實和數(shù)據(jù)。福特電子部門的質(zhì)量控制執(zhí)行總監(jiān)以8-D語言而聞名回顧會議，“我們相信上帝;所有其他人都帶來了數(shù)據(jù)。它有效。保持

問題描述

清晰簡潔，以列出受影響單位或車輛的序列號。如果采用立即調(diào)整流程或設(shè)計作為保持高質(zhì)量貨件的臨時手段，請將其列為

遏制措施。

一旦 PCA 可用，遏制措施將被取消和/或補充

永久性糾正措施

。

根本原因?qū)⑹顷P(guān)于什么設(shè)計、制造或規(guī)范與使用問題產(chǎn)生問題的最終和簡潔的陳述。在將永久性糾正措施發(fā)布到生產(chǎn)環(huán)境之前，必須制定并執(zhí)行驗證計劃，作為永久糾正措施序列驗證的一部分。預(yù)防復(fù)發(fā)對于防止歷史重演至關(guān)重要。

最后，祝賀你的團隊。盡管很簡單，但這一步是最常被忽視和忽視的一步。它提供了兩個重要結(jié)果：團隊因發(fā)現(xiàn)并解決了一個重要的問題而受到認可，祝賀標志著該問題的工作結(jié)束，團隊解散，并允許恢復(fù)正常職責。

這個解決問題的過程是關(guān)于您的傳感器產(chǎn)品和制造過程的有趣發(fā)現(xiàn)之旅。如果你對各種可能性保持開放的心態(tài)，并有足夠的信心承認你并不總是擁有所有的答案，那么每個問題都可以成為一種有趣的教育經(jīng)歷。

諾貝爾獎獲得者、物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）總結(jié)了發(fā)現(xiàn)事物的樂趣：“......刺激，...敬畏和神秘感一次又一次地出現(xiàn)，當我們足夠深入地看待任何問題時。隨著知識的增多，更深層次、更奇妙的神秘感，引誘著人們?nèi)ジ钊氲靥剿?。從不擔心答案可能會令人失望，但我們帶著快樂和信心翻開每塊新石頭，尋找無法想象的奇怪之處，從而引出更美妙的問題和謎團——這當然是一次偉大的冒險！[2].

當談到PRT傳感器材料（用于傳感元件和IC的有機硅凝膠和其他保護涂層，以及芯片粘接環(huán)氧樹脂）時，需要一些評論。這些材料在傳感器制造中一次又一次地浮出水面。它們的使用需要了解其初始特性、延長壽命特性以及處理和混合的注意事項。典型的PRT傳感器裝配圖如圖4所示。

圖4.典型的基于PRT的壓力傳感器的橫截面圖。

芯片粘接環(huán)氧樹脂有多種品種和成分。通常用于PRT傳感器安裝的粘合劑包括軟安裝橡膠基粘合劑，氰基丙烯酸酯粘合劑（帶導電銀片填料或非導電SiO）2填料）、雙組分環(huán)氧樹脂混合物和有機硅基粘合劑。每種材料的獨特特性解決了機械應(yīng)力、溫度、化學反應(yīng)性（或惰性）、易于制造和成本等問題。所需的化學抗擾度取決于芯片粘接是暴露于周圍環(huán)境及其污染物中，還是暴露于正在測量壓力的介質(zhì)中。不僅在操作過程中，而且在制造、儲存、運輸和下一級組裝過程中也應(yīng)考慮溫度。通常，最關(guān)鍵的參數(shù)是芯片粘接材料對PRT元件施加的機械應(yīng)力。

不僅關(guān)注芯片粘接、基板和PRT元件的不同溫度系數(shù)，還關(guān)注許多有機硅和環(huán)氧基材料，它們根據(jù)溫度表現(xiàn)出兩種不同的機械性能之一。所討論的材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg [3]下在這些特性之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。高于此溫度的材料往往更硬，（可能）熱膨脹系數(shù)降低。在它下面，它們往往更柔軟、更柔軟。

該特性通常表現(xiàn)為偏移或靈敏度與溫度測量中的弓形或曲率（圖 5）。當生成從最低溫度到最高溫度的溫度階躍曲線時，這一點變得很明顯。由于曲率中的任何扭結(jié)或拐點都表示材料屬性的變化，因此實際上必須使用兩種不同的材料進行設(shè)計。似乎這還不夠，兩組分環(huán)氧樹脂的Tg取決于混合的兩部分的比例。因此，最終設(shè)計的材料屬性是兩部分測量和混合過程的函數(shù)。

圖5.靈敏度會隨著材料通過玻璃化轉(zhuǎn)變階段（Tg）而變化。

傳感元件和集成電路的保護涂層具有與上述芯片粘接材料相同的特性，但效果不同。與傳感膜片接觸的保護涂層會導致施加壓力時的滯后、溫度滯后、靈敏度和隨溫度的偏移變化（高于和低于Tg）、輸出隨時間漂移以及輸出蠕變。

硅具有出色的機械性能，可用于制造可靠且可重復(fù)的傳感器，但芯片粘接材料和保護涂層的引入會降低傳感器的性能。為了抵消這種影響，您應(yīng)該知道如何通過混合比例的變化、老化的影響、固化前暴露在空氣中、固化時間和溫度等來改變材料在制造過程中。一旦進入原型，所選材料可能與生產(chǎn)的百萬分之一傳感器中使用的材料不同。

一些簡單的提示可以使傳感器設(shè)計的電子部分更加穩(wěn)健。通常，PRT 傳感元件安裝在基板上，基板又安裝在外殼或傳感器主體上（圖 6）。外殼內(nèi)的管道將流體介質(zhì)引導至PRT元件的活動部分?；灏?a target="_blank">信號調(diào)理IC（在本例中顯示為芯片）和幾個分立的電氣元件。它還提供到連接器的電氣路徑，以接收電源并訪問輸出信號。該連接器通常為 3 線式，承載被測壓力的電壓模擬。基本電路布局原理可為給定的原理圖設(shè)計提供最佳性能：

保持IC和PRT之間的電氣接線連接 感應(yīng)元件盡可能短。

不要將傳感元件的印刷布線走線與 其他，尤其是數(shù)字時鐘走線和模擬輸出跡線。

保持0.1μF（或推薦值）的去耦電容盡可能接近 盡可能使用最少的印刷布線互連。

用接地層填充所有剩余的印刷布線表面。

將 ESD/EMI 電容器放置在盡可能靠近連接器引腳的位置。

如果電路浮動在與印刷布線電路電連接的導電外殼內(nèi)，請使用電阻路徑將外殼連接到電路接地。

對于所有IC，將未使用的輸入連接到VDD或 GND（視情況而定），直接或通過電阻器。

使用低阻抗電阻器和電容器緩沖電源輸入，盡可能靠近連接器。如果可能，將此濾波電容與ESD/EMI電容結(jié)合使用。

保護IC和檢測元件的鈍化層。IC鈍化的任何妥協(xié)都是廢棄組件的理由。

如果可能，請使用導電芯片粘接材料將 IC 安裝焊盤接地。

如果可能，將傳感元件與外殼或壓力端口電絕緣。

圖6.典型的壓力傳感器組件。

如果您愿意花時間，調(diào)試模擬傳感器電路是一門易于理解的藝術(shù)。大多數(shù)傳感器異常都可以快速解決：

檢查電源。

檢查時鐘。

檢查內(nèi)存。

檢查測試設(shè)備的參考位置和接地位置。

通常，明顯的傳感器異常實際上是在惡劣環(huán)境中運行的良好傳感器。為了確定問題出在傳感器本身，您可以通過檢查和仔細檢查傳感器的電路調(diào)試程序來節(jié)省數(shù)小時的時間和挫敗感，可以在

《模擬電路故障排除》

一書中找到[4]。

在調(diào)試一個有故障的傳感器（例如線路的塵埃）時，您可以確信數(shù)千個據(jù)稱相同的單元工作得很好。因此，當每個組件都連接并正常運行時，您可以確保設(shè)備也能正常工作。在調(diào)試首次原型時，缺乏這種保證，其中從未生產(chǎn)或證明過類似的電路。因此，挑戰(zhàn)在于注意手頭的傳感器與其數(shù)千個前代傳感器有何不同。

傳感器的可重復(fù)性就是一切。再多的電子設(shè)備也無法校正對溫度和壓力響應(yīng)不可預(yù)測的傳感器。揭示傳感器不可重復(fù)性原因的幾個技巧已經(jīng)一次又一次地被證明。但是，您必須決定哪些適用于您的傳感器組件：

慢溫度階躍循環(huán)

高溫浸泡

高溫浸泡、壓力滯后檢查

電源抑制測試 在整個溫度范圍內(nèi)

通過從最低極端到最高極端的小增量步進溫度，慢溫度步進循環(huán)測量失調(diào)和跨度隨溫度的變化。大多數(shù)傳感器在+25°C下進行測試，然后在-40°C下測試，然后在+125°C（或+85°C）下進行測試，然后再次在+25°C下進行測試。 此過程稱為三溫測試，假設(shè)傳感器在中間溫度點表現(xiàn)出平滑和連續(xù)的行為。

但兩者之間到底發(fā)生了什么？在任何好的傳感器上嘗試此測試：以 15°C 為增量將溫度從室溫循環(huán)到冷、熱、冷、熱，然后回到室溫，測量每個級別的傳感器響應(yīng)。如果傳感器的額定溫度為-40°C至+125°C，請嘗試超出這些限制的溫度循環(huán)，例如-55°C至+150°C。 偏移和跨度在每個周期上是否遵循相同的曲線，還是每個周期產(chǎn)生不同的曲線？該測試超出了傳感器的指定工作范圍，但很高興知道在該范圍之外不會發(fā)生突然的災(zāi)難性故障。

在可靠性方面，傳感器輸出在極端情況下的行為與故障一樣有趣。曲線是否在接近或剛剛超過工作溫度限制時表現(xiàn)出明顯的拐點？什么材料或電學性質(zhì)已經(jīng)改變或成為主導因素導致這種拐點？拐點通常在正常工作范圍內(nèi)開始，表明聚合物材料通過前面描述的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進入玻璃相。在原始設(shè)計中是否考慮了替代屬性（溫度系數(shù)、楊氏模量等）？當設(shè)備從玻璃相中出來時，它是否恢復(fù)到原來的應(yīng)力水平和/或位置？否則，輸出中可能存在溫度遲滯。

高溫浸泡測試檢查材料的穩(wěn)定性。從 25°C 開始，驗證傳感器的運行情況，然后監(jiān)控傳感器輸出，同時將溫度快速運行到最高工作水平或更高。在保持高溫的同時記錄幾個小時的輸出。在此保持時間內(nèi)的輸出變化表明，當組件在高溫下達到平衡時，傳感器上的熱梯度會導致輸出方差（不太有趣），或者材料蠕變（更有趣），當材料通過放松或移動到應(yīng)力較小的狀態(tài)來響應(yīng)應(yīng)力時，就會發(fā)生這種變化。

哪種材料在蠕變？檢查塑料和聚合物。要確定哪個是罪魁禍首，請使用不同的材料（例如保護涂層）構(gòu)建傳感器，使用或多或少的相同材料或缺少可疑材料的傳感器。然后，在修改后的單元和（理想情況下）控制單元上重新運行測試，以查看屬性是否更改。

帶有壓力滯后檢查的高溫浸泡測試與上述類似，但它在循環(huán)壓力從最小到最大時監(jiān)控輸出，而不是隨著時間的推移監(jiān)測輸出。壓力輸出信號是否每次都遵循相同的曲線？如果沒有，某些材料可能會由于施加的壓力而松弛或蠕動。作為最終測試，將壓力設(shè)置為最大并保持穩(wěn)定，同時將設(shè)備恢復(fù)到室溫（或更低），然后將壓力降低到零。輸出是否立即穩(wěn)定為零值？是否需要幾個小時或幾天才能返回到測試開始時記錄的零值？如果是這樣，請檢查聚合物材料。此外，考慮任何機械組件，其中兩種不同的材料相互接觸，導致摩擦滑動條件。

對于電源抑制隨溫度變化的測試，只需在幾種不同溫度下從最小值循環(huán)到最大值即可。最高、最低和室溫通常就足夠了。在每個溫度下，電源電壓變化引起的輸出變化是否相同？輸出在熱或冷時是否明顯更嘈雜（或更安靜）？IC在不同溫度下具有不同的電源抑制特性，但外部電容器（單片、鉭、電解）對這些特性的基值有顯著影響。電路設(shè)計應(yīng)通過分析最壞情況的影響（例如元件值隨溫度的變化）來考慮這些因素。

該測試提供了探索電路特性的機會，例如低壓工作點和啟動復(fù)位操作。在每個溫度下，緩慢降低電源電壓，直到傳感器停止工作。當它停止工作時，將電壓撥回其正常工作范圍，并查看電路是否恢復(fù)并開始工作。此過程測試設(shè)計對電源異常隨溫度變化的魯棒性。另一方面，不建議檢查高壓工作能力，因為該測試通常是讓IC冒煙的可靠方法。

關(guān)于可靠傳感器生產(chǎn)的最后一點涉及變化，這可以說是大批量汽車制造的主要問題。由于變化通常會帶來麻煩，因此大多數(shù)從事該行業(yè)多年的汽車制造工程師都感到恐懼和恐懼?？此莆⒉蛔愕赖男∽兓赡軙管嚿砗脱b配廠每天耗資數(shù)百萬美元的運營停滯不前。為了說明這種效應(yīng)，數(shù)學家Benoit Mandlebrot提出，中國一只蝴蝶的翅膀引入的擾動可能會在半個地球引起颶風。

請務(wù)必為制造、材料或組件的任何建議更改創(chuàng)建驗證計劃。核查計劃概述了為證明沒有不利影響而進行的測試。它應(yīng)該復(fù)制所有下游車輛組裝和測試操作，以及車輛道路測試。

許多變更決策的共同點是降低成本。當為了節(jié)省成本而改變時，在沒有完全理解或驗證后果的情況下，結(jié)果可能是一場災(zāi)難。沒有什么能比得上精心設(shè)計的產(chǎn)品的性價比（這意味著它代表了對材料和工藝的具有成本效益的選擇和評估），并且在定義明確的制造工藝中以高產(chǎn)量運行。對于降低成本的戰(zhàn)略家來說，最好的建議是專注于下一代設(shè)計，而不要管現(xiàn)有產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷