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tu2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wei2%～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。