【導讀】本文先介紹了壓阻式傳感器的工作原理，再結合MEMS（微機電系統(tǒng)）技術，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理設計，陳述了MEMS技術硅壓阻傳感器于汽車應用上的優(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，壓力傳感器更進一步地擴展到了高壓場合，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，再介紹應用于汽車的MEMS技術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，它是基于壓阻效應工作的。所謂壓阻元件實際上就是指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴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構示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結構，封裝在外殼內。在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個擴散電阻，兩片位于受壓應力區(qū)，另外兩片位于受拉應力區(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。當存在壓差時，膜片產生變形，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技術的智能化硅壓阻傳感器工作原理
為了將壓力信號轉化為電信號，采用應變原理將惠斯頓檢測電橋通過MEMS技術制作在單晶硅片上，使得單晶硅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2所示。
當硅芯片受到外界的應力作用時,硅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力P有關,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。其結構如圖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。此封裝技術可以承載至少15MPa的壓力,若經特殊處理可承載100MPa的壓力。
3 技術性能分析
通過靜態(tài)特性測試，MEMS技術的智能化硅壓阻傳感器的技術指標如下：
- 重復性小于±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200%
而普通壓阻式壓力傳感器（如HZ-PRC-802型）技術指標：
- 測量精度為0.5%（包含線性、重復性、遲滯指標）
- 靈敏度為±0.02%FS/℃
- 瞬時過載為兩倍滿量程
可見，MEMS技術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、小封裝尺寸和高質量的獨特組合。其具有更大的應用優(yōu)勢。
4 應用于汽車的MEMS技術智能化硅壓阻式壓力傳感器的信號智能調理設計
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，但是在汽車應用環(huán)境中溫度的影響很大,所以必需采用補償技術。圖6為一組實測得的未補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到了10%左右,這顯然是不允許的。傳統(tǒng)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絡的辦法來實現(xiàn)。但是此法有很多的缺點和局限性,并且寬溫度區(qū)的補償后精度也僅為2%~3%,達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?shù)揭欢ǖ木确秶鷥?是當代最新的傳感器信號調理技術。
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換開關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,再經過ADC量化傳感器的信號進入數(shù)字處理器計算當前溫度和 壓力下的補償后壓力輸出給數(shù)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(shù)寫入EEPROM 供數(shù)字處理器計算時調用。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。
在寬溫度范圍內實測校準后的傳感器有效抑制了溫度變化對其產生的影響。如圖8所示的多只標準信號輸出的傳感器寬溫度校準數(shù)據曲線：不難看出,在寬溫度工作環(huán)境下采用此法校準的傳感器的讀出溫度已達到寬溫度的高精度測量要求,且通過多通道的通訊接口進行校準的方法與批量制造技術兼容,實現(xiàn)制造車用傳感器的高性價比的要求。
5 結語
本文介紹了壓阻式傳感器的工作原理，并結合MEMS（微機電系統(tǒng)）技術，介紹了智能化硅壓阻傳感器。通過性能分析，得出了MEMS技術硅壓阻傳感器于汽車應用上的優(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技術硅壓阻傳感器通過信號智能調理設計，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技術硅壓阻傳感器將呈現(xiàn)大的增長趨勢。
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