汽車傳感應(yīng)用 ——通過(guò)壓力傳感器示例看未來(lái)趨勢(shì)和要求

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

除了主觀因素之外，許多購(gòu)車者在選擇汽車時(shí)非常看重汽車的燃油效率、排放、安全和豪華/便捷性。這些因素推動(dòng)了汽車智能傳感器應(yīng)用的發(fā)展。

如今的汽車系統(tǒng)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(zhuǎn)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）。現(xiàn)代化的傳感器可在芯片上集成傳感元件和信號(hào)評(píng)估電子元件（溫度補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換等），然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送信息，從而改進(jìn)性能。

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

安裝位置——技術(shù)

當(dāng)前的技術(shù)和車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(duì)于壓力傳感器應(yīng)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(hào)。在這種情況下，器件封裝必須滿足工作環(huán)境的嚴(yán)格要求。對(duì)于壓力小于10巴的應(yīng)用（比如測(cè)量進(jìn)氣管氣壓（MAP）或大氣絕對(duì)壓力（BAP））而言，采用凝膠涂層封裝就可以。

英飛凌科技，針對(duì)這種應(yīng)用所采用的工藝是以適用于汽車應(yīng)用的0.5µm BiCMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的。壓力傳感器以電容性測(cè)量原理為基礎(chǔ)（表面微機(jī)械加工），這意味著環(huán)境介質(zhì)的壓力變化會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致壓力輸出信號(hào)發(fā)生變化。為了能夠轉(zhuǎn)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(jī)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(gòu)成了電容器的對(duì)電極。該層采用這種結(jié)構(gòu)，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(duì)獨(dú)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(xiàn)密封。

傳感器靈敏度主要取決于傳感器配置的幾何參數(shù)。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(dǎo)致電容發(fā)生變化。為了加強(qiáng)信號(hào)，可利用多膜并聯(lián)。在此，有兩個(gè)區(qū)域?qū)毫γ舾?，有兩個(gè)區(qū)域可作為參考之用。傳感器信號(hào)的形成就來(lái)源于壓力敏感區(qū)域和參考區(qū)域之間的差異。信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)生在信號(hào)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(yīng)用于汽車領(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(jié)合并利用金線連接之后，芯片利用硅膠進(jìn)行覆蓋。待測(cè)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(hù)芯片免受環(huán)境影響。這種封裝用于自動(dòng)PCB裝置，比傳統(tǒng)封裝更具成本優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用

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


用于側(cè)面碰撞探測(cè)的壓力測(cè)量

由于側(cè)面碰撞而導(dǎo)致乘客受傷的交通事故數(shù)量不斷攀升，側(cè)面碰撞測(cè)試準(zhǔn)則進(jìn)行了修訂。這將導(dǎo)致出臺(tái)更為嚴(yán)格的側(cè)面碰撞探測(cè)要求。這一要求主要針對(duì)在短時(shí)間內(nèi)探測(cè)碰撞程度的傳感器系統(tǒng)。

側(cè)面碰撞測(cè)試原來(lái)采用的障礙物能同時(shí)接觸車門和B柱（ECE-R95、96/27/EG、Euro NCAP、IIHS和FMVSS 214）。這意味著碰撞沖擊力直接傳遞到汽車B柱。因此，定位在B柱的加速傳感器可迅速探測(cè)到這種沖擊力，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制裝置，以便觸發(fā)安全系統(tǒng)。然而，隨著SUV（運(yùn)動(dòng)型多用途車）數(shù)量的不斷增多，這種車車身結(jié)構(gòu)更高，當(dāng)SUV發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，將導(dǎo)致不同的事故。傳統(tǒng)的側(cè)面碰撞測(cè)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門發(fā)生碰撞，而不是整側(cè)車身都發(fā)生碰撞，這意味著B柱沒(méi)有發(fā)生碰撞。因此，這就要求對(duì)側(cè)面碰撞測(cè)試準(zhǔn)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(cè)到車門受到的沖擊力。另外一種探測(cè)側(cè)面碰撞沖擊力的方式是使用壓力傳感器。因?yàn)檐囬T遭受的側(cè)面碰撞將導(dǎo)致車門發(fā)生變形，在車門腔內(nèi)的壓力隨之提升。這種壓力提升可通過(guò)位于門內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行探測(cè)。

 

圖4：探測(cè)側(cè)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(tǒng)決定的時(shí)間。此外，壓力傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)能更輕松地區(qū)分真正的碰撞和沖擊余波。

使用壓力傳感器探測(cè)側(cè)面碰撞的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是整個(gè)門作為傳感元件，因?yàn)閴毫υ谡麄€(gè)門的空間分布。相應(yīng)地，輸出信號(hào)也與獨(dú)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(shì)：壓力傳感器的輸出在很大程度上與這些因素?zé)o關(guān)。

當(dāng)前用于側(cè)面碰撞保護(hù)的系統(tǒng)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(shì)。

引擎管理區(qū)的氣壓測(cè)量

為了更好地控制燃燒過(guò)程，汽車制造商越來(lái)越多地使用可以對(duì)物理參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的傳感器。這也是近年來(lái)德國(guó)能將汽車平均油耗從20世紀(jì)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年開始，每四年歐洲都要推出新的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，以便降低汽車污染物的排放。

在此我們將說(shuō)明引擎管理區(qū)域的傳感器應(yīng)用。用于MAP應(yīng)用的壓力傳感器測(cè)量進(jìn)氣管的壓力和氣量（參見圖1）。這種傳感器提供的數(shù)據(jù)以及來(lái)自BAP傳感器的數(shù)據(jù)可提供對(duì)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(dá)到大約3700萬(wàn)臺(tái)。BAP傳感器的全球需求量大約為1900萬(wàn)臺(tái)。該市場(chǎng)平均年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為6%。

胎壓監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）

預(yù)計(jì)胎壓監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）的市場(chǎng)增長(zhǎng)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(tái)，但分析師估計(jì)這種需求量在2010年將會(huì)攀升到1000萬(wàn)臺(tái)。接近86%的超高年增長(zhǎng)率是以美國(guó)通過(guò)的相關(guān)法律為基礎(chǔ)的。因?yàn)?000年夏天在美國(guó)由于爆胎導(dǎo)致了一系列的致命車禍，所以美國(guó)頒布了這種法律。法律要求所有新車必須裝備胎壓?jiǎn)适Ь嫦到y(tǒng)（NHTSA Final Ruling）。在歐洲，胎壓監(jiān)控應(yīng)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)入中等汽車領(lǐng)域。下圖顯示了TPMS壓力傳感器的配置。

 

圖5：胎壓監(jiān)控系統(tǒng)傳感器配置

除了胎壓之外，傳感器還可測(cè)量輪胎溫度和傳感模塊的電池電壓。加速傳感器可監(jiān)控系統(tǒng)并報(bào)告車輛行駛情況。這對(duì)于將系統(tǒng)從節(jié)能狀態(tài)重新激活非常重要。對(duì)于這種應(yīng)用而言，電池要能持續(xù)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(hào)之外，還可接收和處理來(lái)自遙控?zé)o鑰匙門禁（RKE）的信號(hào)。

 

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(jī)械加工技術(shù)不同，制造工藝并不僅限于芯片表面的應(yīng)用。在此，采用了基體微機(jī)械加工工藝以便實(shí)現(xiàn)圖6顯示的結(jié)構(gòu)。

這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shì)和要求

在汽車應(yīng)用中，用于高集成度壓力傳感器的表面和基體微機(jī)械加工技術(shù)除了可降低成本外，還可創(chuàng)造緊湊型復(fù)雜系統(tǒng)。上述范例已經(jīng)說(shuō)明了壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用，并且成為未來(lái)應(yīng)用不可缺少的部分。車用傳感器開發(fā)的未來(lái)趨勢(shì)和要求如下：