探析汽车压力传感器手艺的成长演进_金沙真人开户
探析汽车压力传感器手艺的成长演进
发布时间: 2019-05-05   

  目前有两种根基方式可将传感器元件和电子元件拆卸正在塑料模块内。此中一种方式是先利用基板来拆卸元件,然后再将基板嵌入并附接到壳体和引线框上。这种手艺有帮于开辟多芯片布局,出格是那些需要额外无源元件来实现过压或EMC的布局。需要多个密封件来确保切确的压力丈量,同时仍然连结模块的完整性,以避免外部污染或泄露到外壳上。

  很多制制商青睐的另一种元件封拆手艺包罗带有电气实空穿通密封件(electrical feedthrough)的金属集管和后背压力接入端口。这种拆卸方式能够使排放气体密封正在密封罐中或者间接排放到大气中,以供给表压丈量。此手艺的成本往往比后背压力封拆更高,正在后背压力封拆中,元件只需间接安拆到有信号调度电子器件的基板上。然而,这是电子行业家喻户晓的稳健方式,并且利用单芯片集成传感器的信号调度布局可使成本丧失最小化。它不需要再开辟必需承受丈量介质的定制密封剂。

  照片1中所示的集成式压力传感器利用定制DSP和NVM来校准和温度弥补一系列压力传感器元件,合用于各类汽车使用。

  图5:间接安拆正在模组上的单片压力传感器简化了制制过程,并通过消弭利用零丁基板或两头芯片级传感器元件封拆的需求,提高了现场靠得住度测试。

  压阻式压力传感器的第二种信号调度:离散模仿批改,是基于离散而非持续的调整。正在这种环境下,能够通过熔化电阻丝,以使电阻或电流值达到期望值。传感器信号的处置仍然连结模仿形态,可是校准和修恰是通过离散步调完成的。这可能会对传感器的精度、分辩率和权限范畴有所。离散模仿信号调度方式能够进一步扩展,由于调整程度能够存储正在非易失性存储器(nonvolatile memory,NVM)中,并以CMOS手艺来实现。用离散模仿方式制制的压阻式压力传感器通过夹杂手艺采用了两颗芯片。一颗芯片是将校准系数存储正在EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可编程只读存储器)中并以CMOS手艺来实现;另一颗芯片包罗传感元件和放大器,以Bipolar手艺来实现。

  硅微加工的压力传感器元件正在分歧出产批次之间以及整个温度范畴内的参数变化较大(见图2)。为了让汽车制制商能够获得实正可交换的压力传感器模组,传感器研发人员必需对每个传感器进行零丁校准和温度弥补。

  照片1:此单片压力传感器利用定制DSP和NVM来校准和温度弥补片上压阻式压力和温度传感元件。数字信号处置方案还可为客户特定功能供给编程设想。

  数字处理方案需要一些内存,因而CMOS手艺最适合。虽然汽车制制商们已对此处理方案考虑了良多年,然而,实正实现需要多颗芯片,而且相对较高的成本使其并不适合汽车使用。跟着愈加先辈和高度集成的CMOS工艺和微节制器/DSP手艺的成长,此处理方案将会变得越来越遍及。关于用于此目标的尺度微处置器设想的芯片大小和电成天性否会取矫捷性较低(但尺寸较小且成本较低)的可定制施行特定传感器校准功能的公用DSP设想相合作,仍然存正在争议。

  现在,MAP和BAP传感器的次要设想是源于硅微加工的压阻式压力传感器。它们大大都用于乘用车中,为微机械压力传感器手艺正在其它新兴汽车财产中的使用奠基了根本,例如废气再轮回系统(EGR)中的压力丈量、燃油系统中的蒸发排放物泄露以及燃料喷射系统的压力丈量等。

  开初,汽车压阻式压力传感器包含模仿信号调度电,采用安拆正在PCB上现成的封拆后的Bipolar(双极)IC设想工艺来建立。所有需要的调整都是通过堆积正在陶瓷衬底上的厚膜电阻收集的激光批改来完成的,然后再以批改组件的形式嵌入PCB中。后续夹杂电手艺的前进使到手艺人员可以或许正在制制包含印刷厚膜电阻的陶瓷衬底的同时,又能以封拆或裸芯形式来安拆信号调度IC。手艺前进之后,这些传感器模组就变得很是紧凑,此中大部门目前仍正在沿用。这种成熟的制制工艺为需求中等尺寸的使用供给了经济高效的传感器模组,其厚膜电阻的不变性和精度也脚以满脚客户要求。

  该可编程信号调度引擎利用校准算法正在数字域中运转,该算决了超出大大都模仿信号调度方式范畴的高阶效应。单片传感器可供给加强特征,这些特征凡是正在芯片外(或者底子不正在芯片上)用保守的模仿信号调度处理方案(利用激光或电学批改)来实现。特地开辟的数字通信接口可以或许正在模组完全拆卸和封拆后,通过毗连器引脚校准各个传感器模组。打消批改后处置,正在制制流程完成时将校准和模组定制做为出产线最终测试的构成部门来施行。压力传感器元件可正在亚微米夹杂信号CMOS晶圆制制过程中被一同处置,并且能够扩展到各类汽车压力传用中。数字和模仿传感器输出均合用。

  利用微机械加工器件的封拆和拆卸产成本凡是跨越器件本身,因而,若是想要如许的产物正在市场上取得成功,成本则是主要的考虑要素。

  传感器元件的安拆和封拆必需满脚两个互相矛盾的要求:即为了进行丈量,传感器必需取压力传感介质慎密接触,同时还能抵当介质的晦气影响,例如电气互连惹起的侵蚀或可能导致传感器输出偏移的应力。这两项要求对材料工程师开辟出定制的聚合物密封剂和芯片粘接材料来安拆和钝化传感器元件提出了严峻的挑和。

  微机械加工器件可能是高附加值产物的环节赋能手艺,这些产物对子系统制制商具有主要的计谋意义。例如用于策动机节制的MAP传感器、用于气囊系统的加快度计以及用于车辆动力学系统的惯性传感器等。微机械加工器件能够创制一种“手艺非线性”,为供应商供给产物开辟能力,使其可以或许区别于其合作敌手。各类级此外产物集成,例如具有多个传感器的模组,或取施行器和节制功能相连系的传感器,同时也可以或许取汽车制制商的子系统采购趋向连结分歧。

  压力传感器模组拆卸工艺正在制制商决定利用哪种批改和校准方式中饰演主要脚色,因而也会影响电设想。激光批改方式需要正在拆卸过程中的某个两头点对模组进行光接入,以施行校准。该步调凡是涉及温度和压力的使用,因而需要对复杂的出产夹具进行细心和校准。因为目前所有量产汽车压力传感器设想都需要某些特定的校准,以确保正在客户层面的可交换性,因而批改成为对制形成本和出产率发生严沉影响的环节步调。对于单片和薄膜批改设想来说特别如斯,此中涉及到的微型尺寸和更高精度使模组拆卸变得更具有挑和性。

  图4:定制聚合物密封剂和芯片粘接材料、细致的布局建模和奇特的拆卸工艺是建立耐介质影响的传感器模组所必需的。图示为安拆正在燃油箱中的传感器模组中的蒸发排放传感器元件。

  从汽车压力传感器手艺的成长演进来看,明显还需要更多手艺和能力来出产成功的贸易化产物。如机械封拆方面的专业学问、材料科学、电和系统设想、集成电设想、多量量批改、丈量和出产组织,以及满脚终端用户系统需求的使用工程都是有帮于传感器制制商成功的主要要素。

  除了根基的参数精度之外,汽车传感器还必需满脚其它操做和系统要求。表2节选了部门必必要考虑的要素。

  凡是的方式是正在信号调度电中使用某种调整(批改)体例。制制和拆卸工艺以及成品传感器模组的电气机能要求有帮于确定信号调度电的实现体例。该电的集成手艺(如CMOS或Bi-CMOS手艺)次要取决于所选的批改手艺。

  此外,后批改(post-trim)的制制操做步调可能会正在模组进行最终测试之前呈现输出偏移,因而正在最终测试时,该操做则可能会激发参数不及格。考虑到这些要素,制制商仍正在继续寻求电气批改方式,使成品模组可以或许以最终形式进行测试和批改。

  汽车微机械压力传感器贸易开辟中的环节考虑要素之一是需要多量量使用驱动(例如MAP传感器),其可供给普遍合用于其它压力传感器产物的根本手艺。然后,能够操纵传感器元件设想手艺、工艺能力和制制本钱的安拆根本来供给进修曲线效应,从而有益于并加快新使用产物的引进和增加。产物驱动的市场规模需要有脚够大的单元数量、绝对金额和利润率,从而来证明进入市场合需的资本和投资程度是合理的。

  有些要素很是具有挑和性,往往会成为主要的成本驱动要素。正在设想过程中它们能够很容易地将本来简单的信号调度电复杂化。电磁兼容性(EMC)等细节也会影响封拆设想和模组拆卸过程。例如,EMC缺乏脚够的电气处理方案就意味着可能需要额外的组件和屏障来进行。

  基板和芯片粘接材料的选择因制制商而异,但它们正在恶劣中都必需脚够不变,以防止极低压、高应力元件的持久输出漂移。用于丈量燃料喷射压力的传感器也呈现过雷同的环境:持久正在液体燃料和高压下,需要小心选择合适的材料和建立几何布局,以供给不变靠得住的传感器。设想这些传感设置装备摆设涉及大量的布局阐发、机械应力测试和介质测试等。

  当然,封拆的尺寸遭到其封拆元器件大小的,跟着传感器和电子器件集成程度的提高,封拆尺寸也会变得越来越小。照片2展现了MAP传感器封拆尺寸的演变过程,几乎曾经达到现有手艺下最小的几何尺寸。这归功于汽车制制商对指定的毗连器尺寸、压力端口和安拆方案的。

  几乎所有的汽油车都是由策动机节制模块(engine control module,ECM)取传感器和施行器一路构成策动机节制系统。该系统最环节的输入把控则是歧管绝对压力(MAP)传感器。正在“速度密度式”形态下,MAP传感器可以或许侦测策动机中流动的空气环境,从而确定喷油时间和提前焚烧时间以实现最佳运转。即便是依托对进气量进行间接丈量的车辆也需要配备大断气对压力(BAP)传感器,次要用于高气压丈量弥补。如产商每年都出产数以万万计的MAP和BAP传感器,过去十年里鞭策了几代压力传感器模组的设想。

  图2:批量处置的硅微加工压阻式传感器元件正在圆片取圆片之间、批次取批次之间呈现出器件间的差别。各个压阻元件也随温度发生很大变化。因而,正在传感器模组的最终拆卸过程中,需要对单个封拆后的传感器进行零丁的批改和校准。

  图1:为了满脚汽车市场合需的普遍使用,传感器制制商必需可以或许供给多种传感器元件布局,以别离丈量绝对压力、表压或差压的压力范畴。

  压阻式压力传感器的信号也能够利用数字信号处置(Digital Signal Processing,DSP)进行调理。通过该方式,压力和温度信号被数字化,然后做为DSP算法的输入。利用算术运算实现校准和温度弥补,之后再将数字信号转换回模仿域。

  传感器模组封拆最遍及的方式是嵌入包含引线框的模制塑料外壳,该引线框可为汽车线束毗连器供给接口。金属锻制外壳好久之前就被利用了,有些目前仍正在出产中,但使用曾经很少了。塑料制模和冲压引线框封拆手艺曾经被普遍开辟并使用于各类汽车电子模块中,且已顺应于正在引擎盖下利用的压力传感器,以供给防风雨、鲁棒性强的模组。表3列出了测试这些模组及其内置元件以确保车辆利用寿命跨越10年或跨越10万英里的前提示例。

  颠末多次测试,汽车压力传感器凡是都能够将其不变性连结正在0.1%~0.3% F.S.S的范畴内。正在持久而严苛的测试中,例如涉及测试前提组合的测试,或者试图诱发毛病的测试,这些传感器仍然能够将不变性连结正在1% F.S.S。

  采用体微加工手艺正在硅晶圆上制制压阻式传感器,已成为出产汽车压力传感器的次要手艺之一。压阻式绝对压力传感器元件采用体微加工手艺正在后背构成实空腔,该布局一问世就广受欢送,成为MAP/BAP使用的需要元件。然而近期,表压和差压布局,以及仅为消弭应力添加的后背束缚(backside constraint)布局(见图1),目前已进入量产阶段。

  然而,因为汽车行业对低成本元件的持续驱动,手艺人员研发更高级此外集成手艺,最大限度降低压力传感器模组的元件数量和拆卸成本。随后,通过将模仿有源电取无源薄膜可批改电阻集成正在统一芯片上,制制商大大减小了传感器模组的尺寸,并提高了传感器机能,此次要是由于薄膜电阻器具有优异的不变性。此集成手艺开创了双芯片处理方案,一颗芯片是传感元件,另一颗芯片是薄膜电阻IC。而单片(单芯片)处理方案是将传感元件、有源电和薄膜电阻集成正在统一颗硅芯片上,并合用于多量量出产。

  目前曾经有一些制制商推出了间接安拆正在外壳上的传感器和信号调度芯片模组,从而可消弭利用零丁基板的成本(见图5)。这对于高度集成的传感器设想特别有益,例如需要很少或完全不需要额外无源元件的单片传感器。

  照片2:最成熟的汽车压力传感器使用MAP传感器的布局曾经从PCB拆卸的分立元件成长到更简单的带有厚膜电阻的夹杂基板。利用片上薄膜电阻器能够进一步缩小夹杂电的尺寸。

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