MEMS硅壓阻汽車壓力傳感器特性介紹

　　0 引言

　　當(dāng)今汽車性能的不斷提升得益于汽車電子的不斷發(fā)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)從而將汽車行駛的具體狀態(tài)傳送給電子控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車控制。作為汽車電子的關(guān)鍵部件在電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天倍受矚目。美國(guó)汽車傳感器權(quán)威弗萊明在2000年的汽車電子技術(shù)綜述就指出了MEMS技術(shù)在汽車傳感器領(lǐng)域的美好前景。設(shè)計(jì)了基于MEMS技術(shù)和智能化信號(hào)調(diào)理的擴(kuò)散硅壓力傳感器應(yīng)對(duì)汽車壓力系統(tǒng)的壓力檢測(cè)。

　　1 傳感器原理及封裝設(shè)計(jì)

　　為了將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)采用了應(yīng)變?cè)恚瑢⒒菟诡D檢測(cè)電橋通過(guò)MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個(gè)集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換為一體的敏感元件。如圖1所示。

圖1敏感元件

　　當(dāng)硅芯片受到外界的應(yīng)力作用時(shí)，硅應(yīng)變電橋的橋臂電阻將產(chǎn)生變化，一般都為惠斯頓電橋檢測(cè)模式。如圖2所示。

圖2惠斯頓電橋

　　其輸出電壓表示為vo=KAR／R（Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4）。

　　因?yàn)殡娮璧淖兓苯优c應(yīng)力P有關(guān)，則：

式中：Vo為輸出電壓，mV；S為靈敏度，mV／V／Pa；P為外力或應(yīng)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(gè)檢測(cè)單元的一部分無(wú)法獨(dú)立完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測(cè)的能力。將圖2中的硅片芯片與PYREX玻璃環(huán)靜電封接在一起。

　　PYREX玻璃環(huán)作為硅芯片的力學(xué)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(huán)的孔恰好成為了傳感器的參考?jí)毫η惑w和電極引線腔體。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3敏感元件封裝

　　如圖3的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后成為一個(gè)可安裝的壓力測(cè)量前端，見(jiàn)圖4。

圖4可安裝的壓力測(cè)量前端

　　此封裝技術(shù)可以承載至少15 MPa的壓力，若經(jīng)特殊處理可承載100 MPa的壓力。

　　2傳感器的倍號(hào)智能調(diào)理設(shè)計(jì)

　　如圖2傳感器輸出電壓信號(hào)Vo=VB△R／R（R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4），在理想狀態(tài)下其信號(hào)輸出是一個(gè)線性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導(dǎo)體傳感器其受溫度的影響比較大。這使得傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)輸出呈現(xiàn)變化，影響讀出精度。對(duì)圖2的電橋加入溫度對(duì)電橋的影響得出下式：

則

理想狀態(tài)下若：

但是在汽車應(yīng)用環(huán)境中溫度的影響很大，所以必需采用補(bǔ)償技術(shù)。圖5為一組實(shí)測(cè)得的未補(bǔ)償過(guò)的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線圖。顯而易見(jiàn)，在汽車常用的工作溫區(qū)，溫度引入的讀出誤差達(dá)到了10％左右，這顯然是不允許的。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，為提升工作效率采用激光修調(diào)預(yù)先制作在陶瓷基板上的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是此法有很多的缺點(diǎn)和局限性，并且寬溫度區(qū)的補(bǔ)償后精度也僅為2％～3％，達(dá)不到汽車測(cè)壓的要求。

圖5 寬溫度范圍下壓力信號(hào)輸出曲線

　　通過(guò)采用數(shù)字化的信號(hào)處理將傳感器的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，并且植入模型算法將輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)補(bǔ)償?shù)揭欢ǖ木确秶鷥?nèi)，是當(dāng)代最新的傳感器信號(hào)調(diào)理技術(shù)。

　　信號(hào)處理鏈路框圖，圖6所示。

圖6信號(hào)處理鏈路框圖