中心議題：

• 傳感器原理及封裝設計
• 傳感器的信號智能調理設計

傳感器將各種物理信號轉化為電信號從而將汽車行駛的具體狀態傳送給電子控製單元來實現汽車控製。本文設計了基於MEMS技術和智能化信號調理的擴散矽壓力傳感器應對汽車壓力係統的壓力檢測。

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MEMS技術製作在單晶矽片上。使得單晶矽片成為一個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

當矽芯片受到外界的應力作用時，矽應變電橋的橋臂電阻將產生變化
，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，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.

單一的矽片芯片隻能作為一個檢測單元的一部分無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中的矽片芯片與PYREX玻璃環靜電封接在一起。
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PYREX玻璃環作為矽芯片的力學固定支撐彈性敏感元件並且使矽芯片與封裝絕緣，而PYREX玻璃環的孔恰好成為了傳感器的參考壓力腔體和電極引線腔體。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壓的腔道後成為一個可安裝的壓力測量前端
，見圖4。

圖4可安裝的壓力測量前端

此封裝技術可以承載至少15 MPa的壓力，若經特殊處理可承載100 MPa的壓力。

2、傳感器的信號智能調理設計

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(zai)理(li)想(xiang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)其(qi)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)是(shi)一(yi)個(ge)線(xian)性(xing)變(bian)化(hua)值(zhi)。但(dan)是(shi)單(dan)晶(jing)矽(gui)材(cai)料(liao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)屬(shu)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)其(qi)受(shou)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)比(bi)較(jiao)大(da)。這(zhe)使(shi)得(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)時(shi)輸(shu)出(chu)呈(cheng)現(xian)變(bian)化(hua)，影(ying)響(xiang)讀(du)出(chu)精(jing)度(du)。對(dui)圖(tu)2的電橋加入溫度對電橋的影響得出下式：

則

理想狀態下若：
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但是在汽車應用環境中溫度的影響很大，所以必需采用補償技術。圖5為一組實測得的未補償過的傳感器的寬溫度範圍溫度壓力曲線圖。顯而易見，在汽車常用的工作溫區，溫度引入的讀出誤差達到了10%左(zuo)右(you)，這(zhe)顯(xian)然(ran)是(shi)不(bu)允(yun)許(xu)的(de)。傳(chuan)統(tong)的(de)補(bu)償(chang)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)橋(qiao)臂(bi)上(shang)串(chuan)並(bing)聯(lian)電(dian)阻(zu)法(fa)補(bu)償(chang)

，為(wei)提(ti)升(sheng)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)采(cai)用(yong)激(ji)光(guang)修(xiu)調(tiao)預(yu)先(xian)製(zhi)作(zuo)在(zai)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)上(shang)的(de)厚(hou)膜(mo)電(dian)阻(zu)網(wang)絡(luo)的(de)辦(ban)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)。但(dan)是(shi)此(ci)法(fa)有(you)很(hen)多(duo)的(de)缺(que)點(dian)和(he)局(ju)限(xian)性(xing)，並(bing)且(qie)寬(kuan)溫(wen)度(du)區(qu)的(de)補(bu)償(chang)後(hou)精(jing)度(du)也(ye)僅(jin)為(wei)2%～3%，達不到汽車測壓的要求。

圖5 寬溫度範圍下壓力信號輸出曲線

通tong過guo采cai用yong數shu字zi化hua的de信xin號hao處chu理li將jiang傳chuan感gan器qi的de微wei弱ruo信xin號hao轉zhuan化hua為wei標biao準zhun電dian壓ya信xin號hao，並bing且qie植zhi入ru模mo型xing算suan法fa將jiang輸shu出chu的de標biao準zhun信xin號hao補bu償chang到dao一yi定ding的de精jing度du範fan圍wei內nei
，是shi當dang代dai最zui新xin的de傳chuan感gan器qi信xin號hao調tiao理li技ji術shu。

信號處理鏈路框圖，圖6所示

圖6信號處理鏈路框圖

在溫度傳感器的輔助作用下通過信號轉換開關分時讀取壓力與溫度的數值，通過可編程增益放大器將微弱信號放大，再經過ADC量化傳感器的信號進入數字處理器計算當前溫度和壓力下的補償後壓力輸出給數模轉換DAC輸出模擬信號。而溫度補償則可以通過通訊接口將參數寫入EEPROM供數字處理器計算時調用。如此多的功能部件均可集成製作在一塊單一芯片上，使得ASIC電路很容易和MEMS技術製作的壓力敏感芯片封裝在一個小巧的殼體中。

在寬溫度範圍內實測校準後的傳感器有效抑製了溫度變化對其產生的影響。如圖7所示的多隻標準信號輸出的傳感器寬溫度校準數據曲線：不難看出，在寬溫度工作環境下采用此法校準的傳感器的讀出溫度誤差約為1%一2%FS，達da到dao寬kuan溫wen度du的de高gao精jing度du測ce量liang要yao求qiu，且qie通tong過guo多duo通tong道dao的de通tong訊xun接jie口kou進jin行xing校xiao準zhun的de方fang法fa與yu批pi量liang製zhi造zao技ji術shu兼jian容rong，實shi現xian製zhi造zao車che用yong傳chuan感gan器qi的de高gao性xing價jia比bi的de要yao求qiu。

圖7多傳感器寬溫度校準數據曲線[page]

3、綜合封裝與結論

將傳感器與信號調理電路板封裝在一個直徑23mm高27.5mm的不鏽鋼金屬殼體內並且在傳感器的一端使用接插件的方式作為信號連接
，方便測試及維護。總體封裝後如圖8所示。

圖8總體封裝外觀圖

該MEMS矽壓阻汽車壓力傳感器在MEMS技術、封裝技術與信息技術的結合下成為一個具備高性價比的實用化產品。是當代先進技術的結合，值得重視其發展。