【導(dǎo)讀】本文先介紹了壓阻式傳感器的工作原理，再結(jié)合MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，介紹了智能化硅壓阻傳感器。通過性能分析和介紹智能化硅壓阻傳感器的信號調(diào)理設(shè)計，陳述了MEMS技術(shù)硅壓阻傳感器于汽車應(yīng)用上的優(yōu)勢。
1 引言
現(xiàn)在，壓力傳感器是典型的汽車傳感器，它廣泛地應(yīng)用在汽車上。汽車壓力傳感器的歷史開始于1979年，用于引擎燃燒控制的多種絕對壓力傳感器。隨后，它被廣泛地用于高壓場合，如懸掛壓力探測和空調(diào)制冷壓力探測。在引入ＯＢＤ（車載自動診斷系統(tǒng)）后，壓力傳感器也擴(kuò)展到了低壓場合，如揮發(fā)的汽油泄漏探測。現(xiàn)在，壓力傳感器更進(jìn)一步地擴(kuò)展到了高壓場合，如汽油燃燒噴射和柴油共軌燃燒噴射系統(tǒng)。顯然，壓力傳感器在汽車上有廣闊的發(fā)展前景。
2 工作原理部分
壓力傳感器可以廣義地分為三類：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。
下面，本文將先介紹壓阻式壓力傳感器的工作原理，再介紹應(yīng)用于汽車的MEMS技術(shù)智能化硅壓阻式壓力傳感器的工作原理。
2.1壓阻式壓力傳感器
壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，它是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻元件實際上就是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作時需依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。
圖1是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)。在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個擴(kuò)散電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個全橋測量電路。硅膜片用一個圓形硅杯固定，兩邊有兩個壓力腔，一個和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，接參考壓力，通常和壓大氣相通。當(dāng)存在壓差時，膜片產(chǎn)生變形，使兩對電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差大小。
2.2 MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器工作原理
為了將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，采用應(yīng)變原理將惠斯頓檢測電橋通過MEMS技術(shù)制作在單晶硅片上，使得單晶硅片成為一個集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換為一體的敏感元件。如圖2所示。
當(dāng)硅芯片受到外界的應(yīng)力作用時,硅應(yīng)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3所示。
其輸出電壓表示為：
Vo=VBΔR/R(R1=R2,R3=R4,ΔR1=ΔR2,ΔR3=R4)
因為電阻的變化直接與應(yīng)力P有關(guān),則：
Vo=SPVB±Vos
式中：Vo為輸出電壓，mV；S為靈敏度，mV/V/Pa；P為外力或應(yīng)力，Pa；VB為橋壓，V；Vo為零位輸出，mV。
單一的硅片芯片只能作為一個檢測單元的一部分無法獨(dú)立完成信號的轉(zhuǎn)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,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腔體。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4的敏感芯體封接在金屬螺紋底座上形成進(jìn)壓的腔道后，成為一個可安裝的壓力測量前端,見圖5。此封裝技術(shù)可以承載至少15MPa的壓力,若經(jīng)特殊處理可承載100MPa的壓力。
3 技術(shù)性能分析
通過靜態(tài)特性測試，MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：
- 重復(fù)性小于±0.2%滿量程
- 遲滯小于0.1%滿量程
- 非線性小于±0.1%滿量程
- 靈敏度為0.02V/kpa
- 該傳感器的分辨率為100pa
- 該傳感器的過載能力達(dá)200%
而普通壓阻式壓力傳感器（如HZ-PRC-802型）技術(shù)指標(biāo)：
- 測量精度為0.5%（包含線性、重復(fù)性、遲滯指標(biāo)）
- 靈敏度為±0.02%FS/℃
- 瞬時過載為兩倍滿量程
可見，MEMS技術(shù)的智能化硅壓阻傳感器是高穩(wěn)定性、高靈敏度、寬溫度范圍、小封裝尺寸和高質(zhì)量的獨(dú)特組合。其具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢。
4 應(yīng)用于汽車的MEMS技術(shù)智能化硅壓阻式壓力傳感器的信號智能調(diào)理設(shè)計
如圖3傳感器輸出電壓信號，Vo=VBΔR/R(R1=R2，R3=R4，ΔR1=ΔR2，ΔR3=R4)在理想狀態(tài)下其信號輸出是一個線性變化值。但是單晶硅材料的傳感器屬于半導(dǎo)體傳感器其受溫度的影響比較大。這使得傳感器在環(huán)境溫度變化時輸出呈現(xiàn)變化,影響讀出精度。對圖3的電橋加入溫度對電橋的影響，得出下式:
V0=VBΔR/(R+ΔRt)
理想狀態(tài)下若ΔRt=0，則Vo=VBΔR/R，但是在汽車應(yīng)用環(huán)境中溫度的影響很大,所以必需采用補(bǔ)償技術(shù)。圖6為一組實測得的未補(bǔ)償過的傳感器的寬溫度范圍溫度壓力曲線圖。顯而易見,在汽車常用的工作溫區(qū),溫度引入的讀出誤差達(dá)到了10%左右,這顯然是不允許的。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是在橋臂上串并聯(lián)電阻法補(bǔ)償,為提升工作效率采用激光修調(diào)預(yù)先制作在陶瓷基板上的厚膜電阻網(wǎng)絡(luò)的辦法來實現(xiàn)。但是此法有很多的缺點和局限性,并且寬溫度區(qū)的補(bǔ)償后精度也僅為2%~3%,達(dá)不到汽車測壓的要求。通過采用數(shù)字化的信號處理將傳感器的微弱信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,并且植入模型算法將輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號補(bǔ)償?shù)揭欢ǖ木确秶鷥?nèi),是當(dāng)代最新的傳感器信號調(diào)理技術(shù)。
信號處理鏈路框圖,圖7所示。
在溫度傳感器的輔助作用下通過信號轉(zhuǎn)換開關(guān)分時讀取壓力與溫度的數(shù)值,通過可編程增益放大器將微弱信號放大,再經(jīng)過ADC量化傳感器的信號進(jìn)入數(shù)字處理器計算當(dāng)前溫度和 壓力下的補(bǔ)償后壓力輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出模擬信號。而溫度補(bǔ)償則可以通過通訊接口將參數(shù)寫入EEPROM 供數(shù)字處理器計算時調(diào)用。如此多的功能部件均可集成制作在一塊單一芯片上,使得ASIC電路很容易和MEMS技術(shù)制作的壓力敏感芯片封裝在一個小巧的殼體中。
在寬溫度范圍內(nèi)實測校準(zhǔn)后的傳感器有效抑制了溫度變化對其產(chǎn)生的影響。如圖8所示的多只標(biāo)準(zhǔn)信號輸出的傳感器寬溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線：不難看出,在寬溫度工作環(huán)境下采用此法校準(zhǔn)的傳感器的讀出溫度已達(dá)到寬溫度的高精度測量要求,且通過多通道的通訊接口進(jìn)行校準(zhǔn)的方法與批量制造技術(shù)兼容,實現(xiàn)制造車用傳感器的高性價比的要求。
5 結(jié)語
本文介紹了壓阻式傳感器的工作原理，并結(jié)合MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，介紹了智能化硅壓阻傳感器。通過性能分析，得出了MEMS技術(shù)硅壓阻傳感器于汽車應(yīng)用上的優(yōu)勢地位。在汽車的常用溫區(qū)，對讀出精度有很高的要求，而現(xiàn)代MEMS技術(shù)硅壓阻傳感器通過信號智能調(diào)理設(shè)計，很好地滿足了這個要求。
隨著汽車工業(yè)在我國的發(fā)展， MEMS技術(shù)硅壓阻傳感器將呈現(xiàn)大的增長趨勢。
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