一文解析汽車壓力傳感器的發(fā)展歷史

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，幾乎所有的汽油車都是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（engine control module，ECM）與傳感器和執(zhí)行器一起組成發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)最關(guān)鍵的輸入把控則是歧管絕對(duì)壓力（MAP）傳感器。在“速度密度式”狀態(tài)下，MAP傳感器能夠偵測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中流動(dòng)的空氣情況，從而確定噴油時(shí)間和提前點(diǎn)火時(shí)間以實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行。即使是依靠對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行直接測(cè)量的車輛也需要配備大氣絕對(duì)壓力（BAP）傳感器，主要用于高氣壓測(cè)量補(bǔ)償。如今生產(chǎn)商每年都生產(chǎn)數(shù)以千萬計(jì)的MAP和BAP傳感器，過去十年里推動(dòng)了幾代壓力傳感器模組的設(shè)計(jì)。

如今，MAP和BAP傳感器的主要設(shè)計(jì)是源于硅微加工的壓阻式壓力傳感器。它們大多數(shù)用于乘用車中，為微機(jī)械壓力傳感器技術(shù)在其它新興汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，例如廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）中的壓力測(cè)量、燃油系統(tǒng)中的蒸發(fā)排放物泄漏以及燃料噴射系統(tǒng)的壓力測(cè)量等。

壓力傳感器元件

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

圖1：為了滿足汽車市場(chǎng)所需的廣泛應(yīng)用，傳感器制造商必須能夠提供多種傳感器元件結(jié)構(gòu)，以分別測(cè)量絕對(duì)壓力、表壓或差壓的壓力范圍。

信號(hào)調(diào)理和校準(zhǔn)

硅微加工的壓力傳感器元件在不同生產(chǎn)批次之間以及整個(gè)溫度范圍內(nèi)的參數(shù)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(fā)人員必須對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)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(xiàn)出器件間的差異。各個(gè)壓阻元件也隨溫度產(chǎn)生很大變化。因此，在傳感器模組的最終組裝過程中，需要對(duì)單個(gè)封裝后的傳感器進(jìn)行單獨(dú)的修正和校準(zhǔn)。

通常的方法是在信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)用某種調(diào)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(hào)調(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)方式。該電路的集成技術(shù)（如CMOS或Bi-CMOS技術(shù)）主要取決于所選的修正技術(shù)。

模擬信號(hào)調(diào)理

起初，汽車壓阻式壓力傳感器包含模擬信號(hào)調(diào)理電路，采用安裝在PCB上現(xiàn)成的封裝后的Bipolar（雙極）IC設(shè)計(jì)工藝來構(gòu)建。所有必要的調(diào)整都是通過沉積在陶瓷襯底上的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)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(xù)混合電路技術(shù)的進(jìn)步使得技術(shù)人員能夠在制造包含印刷厚膜電阻的陶瓷襯底的同時(shí)，又能以封裝或裸芯形式來安裝信號(hào)調(diào)理IC。技術(shù)進(jìn)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(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)高效的傳感器模組，其厚膜電阻的穩(wěn)定性和精度也足以滿足客戶要求。

然而，由于汽車行業(yè)對(duì)低成本元件的持續(xù)驅(qū)動(dòng)，迫使技術(shù)人員研發(fā)更高級(jí)別的集成技術(shù)，最大限度降低壓力傳感器模組的元件數(shù)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?yàn)楸∧る娮杵骶哂袃?yōu)異的穩(wěn)定性。此集成技術(shù)開創(chuàng)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(chǎn)。

所有上述信號(hào)調(diào)理電路本質(zhì)上都是模擬的，并假設(shè)激光修正是連續(xù)的。

數(shù)字解決方案

壓阻式壓力傳感器的信號(hào)也可以使用數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過該方法，壓力和溫度信號(hào)被數(shù)字化，然后作為DSP算法的輸入。使用算術(shù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，之后再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬域。

數(shù)字解決方案需要一些內(nèi)存，因此CMOS技術(shù)最適合。雖然汽車制造商們已對(duì)此解決方案考慮了很多年，然而，真正實(shí)現(xiàn)需要多顆芯片，并且相對(duì)較高的成本使其并不適合汽車應(yīng)用。隨著更加先進(jìn)和高度集成的CMOS工藝和微控制器/DSP技術(shù)的發(fā)展，此解決方案將會(huì)變得越來越普遍。關(guān)于用于此目的的標(biāo)準(zhǔn)微處理器設(shè)計(jì)的芯片大小和電路成本是否會(huì)與靈活性較低（但尺寸較小且成本較低）的可定制執(zhí)行特定傳感器校準(zhǔn)功能的專用DSP設(shè)計(jì)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(zhǔn)和溫度補(bǔ)償一系列壓力傳感器元件，適用于各種汽車應(yīng)用。

照片1：此單片壓力傳感器使用定制DSP和NVM來校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償片上壓阻式壓力和溫度傳感元件。數(shù)字信號(hào)處理方案還可為客戶特定功能提供編程設(shè)計(jì)。

該可編程信號(hào)調(diào)理引擎使用校準(zhǔn)算法在數(shù)字域中運(yùn)行，該算法解決了超出大多數(shù)模擬信號(hào)調(diào)理方法領(lǐng)域的高階效應(yīng)。單片傳感器可提供增強(qiáng)特征，這些特征通常在芯片外（或者根本不在芯片上）用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)調(diào)理解決方案（使用激光或電學(xué)修正）來實(shí)現(xiàn)。專門開發(fā)的數(shù)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(zhǔn)各個(gè)傳感器模組。取消修正后處理，在制造流程完成時(shí)將校準(zhǔn)和模組定制作為生產(chǎn)線最終測(cè)試的組成部分來執(zhí)行。壓力傳感器元件可在亞微米混合信號(hào)CMOS晶圓制造過程中被一同處理，而且可以擴(kuò)展到各種汽車壓力傳感應(yīng)用中。數(shù)字和模擬傳感器輸出均適用。

表1總結(jié)了一些用于校準(zhǔn)、補(bǔ)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(hào)調(diào)理和修正方法

傳感器的電學(xué)要求

除了基本的參數(shù)精度之外，汽車傳感器還必須滿足其它操作環(huán)境和系統(tǒng)要求。表2節(jié)選了部分必須要考慮的因素。

表2：傳感器的電學(xué)要求

有些因素非常具有挑戰(zhàn)性，往往會(huì)成為重要的成本驅(qū)動(dòng)因素。在設(shè)計(jì)過程中它們可以很容易地將原本簡單的信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜化。電磁兼容性（EMC）等細(xì)節(jié)也會(huì)影響封裝設(shè)計(jì)和模組組裝過程。

傳感器元件封裝

傳感器元件的安裝和封裝必須滿足兩個(gè)互相矛盾的要求：即為了進(jìn)行測(cè)量，傳感器必須與壓力傳感介質(zhì)緊密接觸，同時(shí)還能抵抗介質(zhì)的不利影響，例如電氣互連引起的腐蝕或可能導(dǎo)致傳感器輸出偏移的應(yīng)力。這兩項(xiàng)要求對(duì)材料工程師開發(fā)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖4：定制聚合物密封劑和芯片粘接材料、詳細(xì)的結(jié)構(gòu)建模和獨(dú)特的組裝工藝是構(gòu)建耐介質(zhì)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(fā)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?cè)趷毫迎h(huán)境中都必須足夠穩(wěn)定，以防止極低壓、高應(yīng)力敏感元件的長期輸出漂移。用于測(cè)量燃料噴射壓力的傳感器也出現(xiàn)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(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)，以提供穩(wěn)定可靠的傳感器。設(shè)計(jì)這些傳感配置涉及大量的結(jié)構(gòu)分析、機(jī)械應(yīng)力測(cè)試和介質(zhì)暴露測(cè)試等。

許多制造商青睞的另一種元件封裝技術(shù)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(cè)量。此技術(shù)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(hào)調(diào)理電子器件的基板上。然而，這是電子行業(yè)眾所周知的穩(wěn)健方法，而且使用單芯片集成傳感器的信號(hào)調(diào)理結(jié)構(gòu)可使成本損失最小化。它不需要再開發(fā)必須承受測(cè)量介質(zhì)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(chǎn)中，但應(yīng)用已經(jīng)很少了。塑料制模和沖壓引線框封裝技術(shù)已經(jīng)被廣泛開發(fā)并應(yīng)用于各種汽車電子模塊中，且已適應(yīng)于在引擎蓋下使用的壓力傳感器，以提供防風(fēng)雨、環(huán)境魯棒性強(qiáng)的模組。表3列出了測(cè)試這些模組及其內(nèi)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(jīng)過多次環(huán)境測(cè)試，汽車壓力傳感器通常都可以將其穩(wěn)定性保持在0.1%~0.3% F.S.S的范圍內(nèi)。在長期而嚴(yán)苛的測(cè)試中，例如涉及測(cè)試條件組合的測(cè)試，或者試圖誘發(fā)故障的測(cè)試，這些傳感器仍然可以將穩(wěn)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(nèi)。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(shù)有助于開發(fā)多芯片結(jié)構(gòu)，特別是那些需要額外無源元件來實(shí)現(xiàn)過壓或EMC保護(hù)的結(jié)構(gòu)。需要多個(gè)密封件來確保精確的壓力測(cè)量，同時(shí)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(jīng)有一些制造商推出了直接安裝在外殼上的傳感器和信號(hào)調(diào)理芯片模組，從而可消除使用單獨(dú)基板的成本（見圖5）。這對(duì)于高度集成的傳感器設(shè)計(jì)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(dú)基板或中間芯片級(jí)傳感器元件封裝的需求，提高了現(xiàn)場(chǎng)可靠度測(cè)試。

當(dāng)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(huì)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，幾乎已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)下最小的幾何尺寸。這歸功于汽車制造商對(duì)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(yīng)用——MAP傳感器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)從PCB組裝的分立元件發(fā)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(jìn)一步縮小混合電路的尺寸。

結(jié)論

從汽車壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)來看，顯然還需要更多技術(shù)和能力來生產(chǎn)成功的商業(yè)化產(chǎn)品。如機(jī)械封裝方面的專業(yè)知識(shí)、材料科學(xué)、電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)、大批量修正、測(cè)量和生產(chǎn)組織，以及滿足終端用戶系統(tǒng)需求的應(yīng)用工程都是有助于傳感器制造商成功的重要因素。