汽車傳感應(yīng)用—通過壓力傳感器示例看未來趨勢和要求

　　如今，現(xiàn)代化汽車都裝備了多種傳感器。這些組件可將物理輸入變量轉(zhuǎn)換成電氣信號，提供給引擎電子控制裝置以及安全便捷系統(tǒng)，用于實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制功能。

　　除了主觀因素之外，許多購車者在選擇汽車時非常看重汽車的燃油效率、排放、安全和豪華/便捷性。這些因素推動了汽車智能傳感器應(yīng)用的發(fā)展。

　　如今的汽車系統(tǒng)可記錄和處理眾多傳感輸入變量，比如加速、壓力、溫度、引擎速度、轉(zhuǎn)速、角度、力量、距離、液位和化學(xué)成分(空氣質(zhì)量或油品質(zhì)量)。現(xiàn)代化的傳感器可在芯片上集成傳感元件和信號評估電子元件(溫度補償、模數(shù)轉(zhuǎn)換等)，然后通過無線方式發(fā)送信息，從而改進性能。


 圖2  表面微機械加工傳感器的橫截面示意圖

　　本文將簡要說明車用微型機械壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，并探討其未來趨勢和要求。

　　安裝位置——技術(shù)

　　當(dāng)前的技術(shù)和車用壓力傳感器的使用直接相關(guān)。傳感器的安裝位置(包括其溫度、壓力和環(huán)境介質(zhì))決定了使用哪種傳感元件和封裝技術(shù)。比如說，圖1簡要介紹了用于引擎管理的傳感器。

　　對于壓力傳感器應(yīng)用而言，我們可以假定在壓力大于10帕?xí)r，傳感器工作在液體中或通過液體傳輸壓力信號。在這種情況下，器件封裝必須滿足工作環(huán)境的嚴(yán)格要求。對于壓力小于10帕的應(yīng)用(比如測量進氣管氣壓(MAP)或大氣絕對壓力(BAP))而言，采用凝膠涂層封裝就可以。

　　英飛凌科技，針對這種應(yīng)用所采用的工藝是以適用于汽車應(yīng)用的0.5mm BiCMOS技術(shù)。壓力傳感器以電容性測量原理為基礎(chǔ)(表面微機械加工)，這意味著環(huán)境介質(zhì)的壓力變化會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，進而導(dǎo)致壓力輸出信號發(fā)生變化。為了能夠轉(zhuǎn)換物理壓力變量，在密封腔上覆蓋了一層壓力敏感膜。為此，場氧化層就會在襯底的電容器下電極上產(chǎn)生。

　　隨后，這種氧化層將被多晶硅摻雜層覆蓋。多晶硅構(gòu)成了電容器的對電極。該層采用這種結(jié)構(gòu)，為了可以在下一步通過使用氫氟酸進行濕化學(xué)蝕刻去除下面的場氧化層(犧牲層)。最后，對獨立的多晶硅層進行密封。通過這種方式，成形的腔體可在一定壓力下實現(xiàn)密封。

　　傳感器靈敏度主要取決于傳感器配置的幾何參數(shù)。這包括膜的直徑和厚度以及腔體的高度。在加壓情況下，可移動膜將發(fā)生偏移，這會導(dǎo)致電容發(fā)生變化。為了加強信號，可利用多膜并聯(lián)。在此，有兩個區(qū)域?qū)毫γ舾?，有兩個區(qū)域可作為參考之用。傳感器信號的形成就來源于壓力敏感區(qū)域和參考區(qū)域之間的差異。信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)生在信號處理過程中(集成在芯片里)。這可確保非常好的信噪比以及高精確度。

　　為了確保傳感器能大量應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，壓力傳感器采用了一種特殊的SMD封裝。

　　塑料外殼有8個連接針。在傳感器芯片結(jié)合并利用金線連接之后，芯片利用硅膠進行覆蓋。待測量的環(huán)境氣體壓力通過硅膠傳送到傳感器表面。此外，它可保護芯片免受環(huán)境影響。這種封裝用于自動PCB裝置，比傳統(tǒng)封裝更具成本優(yōu)勢。

　　應(yīng)用

　　以現(xiàn)有應(yīng)用為例，我們將展示這種高集成度壓力傳感器如何應(yīng)用于現(xiàn)代汽車領(lǐng)域。

　　用于側(cè)面碰撞探測的壓力測量

　　由于側(cè)面碰撞而導(dǎo)致乘客受傷的交通事故數(shù)量不斷攀升，側(cè)面碰撞測試準(zhǔn)則進行了修訂。這將導(dǎo)致出臺更為嚴(yán)格的側(cè)面碰撞探測要求。這一要求主要針對在短時間內(nèi)探測碰撞程度的傳感器系統(tǒng)。

　　側(cè)面碰撞測試原來采用的障礙物能同時接觸車門和B柱(ECE-R95、96/27/EG、Euro NCAP、IIHS和FMVSS 214)。這意味著碰撞沖擊力直接傳遞到汽車B柱。因此，定位在B柱的加速傳感器可迅速探測到這種沖擊力，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制裝置，以便觸發(fā)安全系統(tǒng)。然而，隨著SUV(運動型多用途車)數(shù)量的不斷增多，這種車車身結(jié)構(gòu)更高，當(dāng)SUV發(fā)生側(cè)面碰撞時，將導(dǎo)致不同的事故。傳統(tǒng)的側(cè)面碰撞測試沒有涵蓋這種情況。在這種碰撞事故中，越來越多的情況是只有車門發(fā)生碰撞，而不是整側(cè)車身都發(fā)生碰撞，這意味著B柱沒有發(fā)生碰撞。因此，這就要求對側(cè)面碰撞測試準(zhǔn)則進行修訂(FMVSS 214 NPRM)。

　　在這種情況下，加速傳感器就難以從其安裝位置——B柱探測到車門受到的沖擊力。另外一種探測側(cè)面碰撞沖擊力的方式是使用壓力傳感器。因為車門遭受的側(cè)面碰撞將導(dǎo)致車門發(fā)生變形，在車門腔內(nèi)的壓力隨之提升。這種壓力提升可通過位于門內(nèi)的壓力傳感器進行探測。

　　這能大幅度降低是否作出激活安全系統(tǒng)決定的時間。此外，壓力傳感器輸出信號的特點能更輕松地區(qū)分真正的碰撞和沖擊余波。


 圖3  采用SMD封裝的高集成度壓力傳感器

　　使用壓力傳感器探測側(cè)面碰撞的另外一個優(yōu)勢是整個門作為傳感元件，因為壓力在整個門的空間分布。相應(yīng)地，輸出信號也與獨立的碰撞點無關(guān)，而是完全取決于沖擊力。這就帶來了另外一個關(guān)于傳感器定位和安裝技術(shù)的優(yōu)勢：壓力傳感器的輸出在很大程度上與這些因素?zé)o關(guān)。

　　當(dāng)前用于側(cè)面碰撞保護的系統(tǒng)包含壓力和加速傳感器，從而能充分利用兩種傳感器的優(yōu)勢。

　　引擎管理區(qū)的氣壓測量

　　為了更好地控制燃燒過程，汽車制造商越來越多地使用可以對物理參數(shù)進行準(zhǔn)確測量的傳感器。這也是近年來德國能將汽車平均油耗從20世紀(jì)80年代的大約10升/100公里降到大約7升/100公里(從每加侖大約24英里提升到大約34英里)的原因之一。此外，從1992年開始，每四年歐洲都要推出新的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，以便降低汽車污染物的排放。


圖4  探測側(cè)面碰撞沖擊力的壓力傳感器

　　在此我們將說明引擎管理區(qū)域的傳感器應(yīng)用。用于MAP應(yīng)用的壓力傳感器測量進氣管的壓力和氣量(參見圖1)。這種傳感器提供的數(shù)據(jù)以及來自BAP傳感器的數(shù)據(jù)可提供對于燃油混合至關(guān)重要的信息，從而最大限度地減少尾氣排放。

　　MAP和BAP傳感器市場已經(jīng)成熟。2005年，MAP傳感器的全球需求量已經(jīng)達到大約3700萬個。BAP傳感器的全球需求量大約為1900萬個。該市場平均年增長率預(yù)計為6%。

　　胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)

　　預(yù)計胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)的市場增長率會更高。盡管2001年該領(lǐng)域的傳感器需求量大約為300萬臺，但分析師估計這種需求量在2010年將會攀升到1000萬個。接近86%的超高年增長率是以美國通過的相關(guān)法律為基礎(chǔ)的。因為2000年夏天在美國由于爆胎導(dǎo)致了一系列的致命車禍，所以美國頒布了這種法律。法律要求所有新車必須裝備胎壓喪失警告系統(tǒng)(NHTSA Final Ruling)。在歐洲，胎壓監(jiān)控應(yīng)用也受到越來越多的重視，并且由于其便利和安全，正在逐步進入中等汽車領(lǐng)域。圖5顯示了TPMS壓力傳感器的配置。


圖5  胎壓監(jiān)控系統(tǒng)傳感器配置

　　除了胎壓之外，傳感器還可測量輪胎溫度和傳感模塊的電池電壓。加速傳感器可監(jiān)控系統(tǒng)并報告車輛行駛情況。這對于將系統(tǒng)從節(jié)能狀態(tài)重新激活非常重要。對于這種應(yīng)用而言，電池要能持續(xù)使用超過10年時間。由中央接收單元扮演接收器的角色，該裝置除了接收TPMS信號之外，還可接收和處理來自遙控?zé)o鑰匙門禁(RKE)的信號。


圖6   TPMS傳感器元件配置

　　圖6顯示了TPMS傳感器的配置。此處使用的傳感器技術(shù)與表面微機械加工技術(shù)不同，制造工藝并不僅限于芯片表面的應(yīng)用。在此，采用了基體微機械加工工藝以便實現(xiàn)圖6顯示的結(jié)構(gòu)。

　　這種技術(shù)的優(yōu)勢是特別可靠，不受侵蝕性介質(zhì)的影響。在這種情況下，介質(zhì)與硅膜接觸，而不是傳感器電子元件。

　　趨勢和要求

　　在汽車應(yīng)用中，用于高集成度壓力傳感器的表面和基體微機械加工技術(shù)除了可降低成本外，還可創(chuàng)造緊湊型復(fù)雜系統(tǒng)。上述范例已經(jīng)說明了壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用，并且成為未來應(yīng)用不可缺少的部分。車用傳感器開發(fā)的未來趨勢和要求如下：

　　* 高可靠性

　　* 低系統(tǒng)成本

　　* 適用于苛刻操作環(huán)境

　　* 體積小

　　* 高準(zhǔn)確度

　　我們認(rèn)為這些要求推動了汽車傳感器應(yīng)用的發(fā)展，特別是上面提到的壓力傳感器應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步，我們已經(jīng)開始考慮并實施了這些方面的應(yīng)用，比如在TPMS壓力傳感器產(chǎn)品方面。