汽車(chē)傳感應用 ——通過(guò)壓力傳感器示例看未來(lái)趨勢和要求

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

除了主觀(guān)因素之外，許多購車(chē)者在選擇汽車(chē)時(shí)非?？粗仄?chē)的燃油效率、排放、安全和豪華/便捷性。這些因素推動(dòng)了汽車(chē)智能傳感器應用的發(fā)展。

如今的汽車(chē)系統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）?，F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、模數轉換等），然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送信息，從而改進(jìn)性能。

本文將簡(jiǎn)要說(shuō)明車(chē)用微型機械壓力傳感器的應用領(lǐng)域，并探討其未來(lái)趨勢和要求。

安裝位置——技術(shù)

當前的技術(shù)和車(chē)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(shuō)，圖1簡(jiǎn)要介紹了用于引擎管理的傳感器。

 

圖1：用于引擎管理的傳感器

對于壓力傳感器應用而言，我們可以假定在壓力大于10巴時(shí)，傳感器工作在液體中或通過(guò)液體傳輸壓力信號。在這種情況下，器件封裝必須滿(mǎn)足工作環(huán)境的嚴格要求。對于壓力小于10巴的應用（比如測量進(jìn)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，針對這種應用所采用的工藝是以適用于汽車(chē)應用的0.5µm BiCMOS技術(shù)為基礎的。壓力傳感器以電容性測量原理為基礎（表面微機械加工），這意味著(zhù)環(huán)境介質(zhì)的壓力變化會(huì )導致電容發(fā)生變化，進(jìn)而導致壓力輸出信號發(fā)生變化。為了能夠轉換物理壓力變量，在密封腔上覆蓋了一層壓力敏感膜。為此，場(chǎng)氧化層就會(huì )在基層的電容器下電極上產(chǎn)生。

 


圖2：表面微機械加工傳感器的橫截面示意圖

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

傳感器靈敏度主要取決于傳感器配置的幾何參數。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(dòng)膜將發(fā)生偏移，這會(huì )導致電容發(fā)生變化。為了加強信號，可利用多膜并聯(lián)。在此，有兩個(gè)區域對壓力敏感，有兩個(gè)區域可作為參考之用。傳感器信號的形成就來(lái)源于壓力敏感區域和參考區域之間的差異。信號的模數轉換發(fā)生在信號處理過(guò)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用于汽車(chē)領(lǐng)域，壓力傳感器采用了一種特殊的SMD封裝。

 


圖3：采用SMD封裝的高集成度壓力傳感器

塑料外殼有8個(gè)連接針。在傳感器芯片結合并利用金線(xiàn)連接之后，芯片利用硅膠進(jìn)行覆蓋。待測量的環(huán)境氣體壓力通過(guò)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(dòng)PCB裝置，比傳統封裝更具成本優(yōu)勢。

應用

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


用于側面碰撞探測的壓力測量

由于側面碰撞而導致乘客受傷的交通事故數量不斷攀升，側面碰撞測試準則進(jìn)行了修訂。這將導致出臺更為嚴格的側面碰撞探測要求。這一要求主要針對在短時(shí)間內探測碰撞程度的傳感器系統。

側面碰撞測試原來(lái)采用的障礙物能同時(shí)接觸車(chē)門(mén)和B柱（ECE-R95、96/27/EG、Euro NCAP、IIHS和FMVSS 214）。這意味著(zhù)碰撞沖擊力直接傳遞到汽車(chē)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，并將數據傳遞給控制裝置，以便觸發(fā)安全系統。然而，隨著(zhù)SUV（運動(dòng)型多用途車(chē)）數量的不斷增多，這種車(chē)車(chē)身結構更高，當SUV發(fā)生側面碰撞時(shí)，將導致不同的事故。傳統的側面碰撞測試沒(méi)有涵蓋這種情況。在這種碰撞事故中，越來(lái)越多的情況是只有車(chē)門(mén)發(fā)生碰撞，而不是整側車(chē)身都發(fā)生碰撞，這意味著(zhù)B柱沒(méi)有發(fā)生碰撞。因此，這就要求對側面碰撞測試準則進(jìn)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(chē)門(mén)受到的沖擊力。另外一種探測側面碰撞沖擊力的方式是使用壓力傳感器。因為車(chē)門(mén)遭受的側面碰撞將導致車(chē)門(mén)發(fā)生變形，在車(chē)門(mén)腔內的壓力隨之提升。這種壓力提升可通過(guò)位于門(mén)內的壓力傳感器進(jìn)行探測。

 

圖4：探測側面碰撞沖擊力的壓力傳感器

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

使用壓力傳感器探測側面碰撞的另外一個(gè)優(yōu)勢是整個(gè)門(mén)作為傳感元件，因為壓力在整個(gè)門(mén)的空間分布。相應地，輸出信號也與獨立的碰撞點(diǎn)無(wú)關(guān)，而是完全取決于沖擊力。這就帶來(lái)了另外一個(gè)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無(wú)關(guān)。

當前用于側面碰撞保護的系統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。

引擎管理區的氣壓測量

為了更好地控制燃燒過(guò)程，汽車(chē)制造商越來(lái)越多地使用可以對物理參數進(jìn)行準確測量的傳感器。這也是近年來(lái)德國能將汽車(chē)平均油耗從20世紀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公里）的原因之一。此外，從1992年開(kāi)始，每四年歐洲都要推出新的排放控制標準，以便降低汽車(chē)污染物的排放。

在此我們將說(shuō)明引擎管理區域的傳感器應用。用于MAP應用的壓力傳感器測量進(jìn)氣管的壓力和氣量（參見(jiàn)圖1）。這種傳感器提供的數據以及來(lái)自BAP傳感器的數據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(chǎng)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(wàn)臺。BAP傳感器的全球需求量大約為1900萬(wàn)臺。該市場(chǎng)平均年增長(cháng)率預計為6%。

胎壓監控系統（TPMS）

預計胎壓監控系統（TPMS）的市場(chǎng)增長(cháng)率會(huì )更高。盡管2001年該領(lǐng)域的傳感器需求量大約為300萬(wàn)臺，但分析師估計這種需求量在2010年將會(huì )攀升到1000萬(wàn)臺。接近86%的超高年增長(cháng)率是以美國通過(guò)的相關(guān)法律為基礎的。因為2000年夏天在美國由于爆胎導致了一系列的致命車(chē)禍，所以美國頒布了這種法律。法律要求所有新車(chē)必須裝備胎壓?jiǎn)适Ь嫦到y（NHTSA Final Ruling）。在歐洲，胎壓監控應用也受到越來(lái)越多的重視，并且由于其便利和安全，正在逐步進(jìn)入中等汽車(chē)領(lǐng)域。下圖顯示了TPMS壓力傳感器的配置。

 

圖5：胎壓監控系統傳感器配置

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。加速傳感器可監控系統并報告車(chē)輛行駛情況。這對于將系統從節能狀態(tài)重新激活非常重要。對于這種應用而言，電池要能持續使用超過(guò)10年時(shí)間。由中心接收單元將扮演接收器的角色，該裝置除了接收TPMS信號之外，還可接收和處理來(lái)自遙控無(wú)鑰匙門(mén)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用。在此，采用了基體微機械加工工藝以便實(shí)現圖6顯示的結構。

這種技術(shù)的優(yōu)勢是特別健壯，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(chē)應用中，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 )造緊湊型復雜系統。上述范例已經(jīng)說(shuō)明了壓力傳感器在汽車(chē)上的應用，并且成為未來(lái)應用不可缺少的部分。車(chē)用傳感器開(kāi)發(fā)的未來(lái)趨勢和要求如下：