MEMS硅壓阻汽車(chē)壓力傳感器特性介紹

　　0 引言

　　當今汽車(chē)性能的不斷提升得益于汽車(chē)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轉化為電信號從而將汽車(chē)行駛的具體狀態(tài)傳送給電子控制單元來(lái)實(shí)現汽車(chē)控制。作為汽車(chē)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。美國汽車(chē)傳感器權威弗萊明在2000年的汽車(chē)電子技術(shù)綜述就指出了MEMS技術(shù)在汽車(chē)傳感器領(lǐng)域的美好前景。設計了基于MEMS技術(shù)和智能化信號調理的擴散硅壓力傳感器應對汽車(chē)壓力系統的壓力檢測。

　　1 傳感器原理及封裝設計

　　為了將壓力信號轉化為電信號采用了應變原理，將惠斯頓檢測電橋通過(guò)MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上。使得單晶硅片成為一個(gè)集應力敏感與力電轉換為一體的敏感元件。如圖1所示。

圖1敏感元件

　　當硅芯片受到外界的應力作用時(shí)，硅應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）。

　　因為電阻的變化直接與應力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)檢測單元的一部分無(wú)法獨立完成信號的轉換，所以必須有特定的封裝使其具備壓力檢測的能力。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壓力腔體和電極引線(xiàn)腔體。其結構如圖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)可安裝的壓力測量前端，見(jiàn)圖4。

圖4可安裝的壓力測量前端

　　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傳感器的倍號智能調理設計

　　如圖2傳感器輸出電壓信號Vo=VB△R／R（R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4），在理想狀態(tài)下其信號輸出是一個(gè)線(xiàn)性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導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)輸出呈現變化，影響讀出精度。對圖2的電橋加入溫度對電橋的影響得出下式：

則

理想狀態(tài)下若：

但是在汽車(chē)應用環(huán)境中溫度的影響很大，所以必需采用補償技術(shù)。圖5為一組實(shí)測得的未補償過(guò)的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線(xiàn)圖。顯而易見(jiàn)，在汽車(chē)常用的工作溫區，溫度引入的讀出誤差達到了10％左右，這顯然是不允許的。傳統的補償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補償，為提升工作效率采用激光修調預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。但是此法有很多的缺點(diǎn)和局限性，并且寬溫度區的補償后精度也僅為2％～3％，達不到汽車(chē)測壓的要求。

圖5 寬溫度范圍下壓力信號輸出曲線(xiàn)

　　通過(guò)采用數字化的信號處理將傳感器的微弱信號轉化為標準電壓信號，并且植入模型算法將輸出的標準信號補償到一定的精度范圍內，是當代最新的傳感器信號調理技術(shù)。

　　信號處理鏈路框圖，圖6所示。

圖6信號處理鏈路框圖