汽車傳感應用—通過壓力傳感器示例看未來趨勢和要求

作者：英飛凌科技公司高級經理，應用工程、傳感和控制部負責人　　Michael Wycisk博士時間：2008-03-21 來源：電子產品世界

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　　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換成電氣信號，提供給引擎電子控制裝置以及安全便捷系統(tǒng)，用于實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制功能。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/80482.htm

　　除了主觀因素之外，許多購車者在選擇汽車時非?？粗仄嚨娜加托?、排放、安全和豪華/便捷性。這些因素推動了汽車智能傳感器應用的發(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、轉速、角度、力量、距離、液位和化學成分(空氣質量或油品質量)。現(xiàn)代化的傳感器可在芯片上集成傳感元件和信號評估電子元件(溫度補償、模數轉換等)，然后通過無線方式發(fā)送信息，從而改進性能。

圖2 表面微機械加工傳感器的橫截面示意圖

　　本文將簡要說明車用微型機械壓力傳感器的應用領域，并探討其未來趨勢和要求。

　　安裝位置——技術

　　當前的技術和車用壓力傳感器的使用直接相關。傳感器的安裝位置(包括其溫度、壓力和環(huán)境介質)決定了使用哪種傳感元件和封裝技術。比如說，圖1簡要介紹了用于引擎管理的傳感器。

　　對于壓力傳感器應用而言，我們可以假定在壓力大于10帕時，傳感器工作在液體中或通過液體傳輸壓力信號。在這種情況下，器件封裝必須滿足工作環(huán)境的嚴格要求。對于壓力小于10帕的應用(比如測量進氣管氣壓(MAP)或大氣絕對壓力(BAP))而言，采用凝膠涂層封裝就可以。

　　英飛凌科技，針對這種應用所采用的工藝是以適用于汽車應用的0.5mm BiCMOS技術。壓力傳感器以電容性測量原理為基礎(表面微機械加工)，這意味著環(huán)境介質的壓力變化會導致電容發(fā)生變化，進而導致壓力輸出信號發(fā)生變化。為了能夠轉換物理壓力變量，在密封腔上覆蓋了一層壓力敏感膜。為此，場氧化層就會在襯底的電容器下電極上產生。

　　隨后，這種氧化層將被多晶硅摻雜層覆蓋。多晶硅構成了電容器的對電極。該層采用這種結構，為了可以在下一步通過使用氫氟酸進行濕化學蝕刻去除下面的場氧化層(犧牲層)。最后，對獨立的多晶硅層進行密封。通過這種方式，成形的腔體可在一定壓力下實現(xiàn)密封。

　　傳感器靈敏度主要取決于傳感器配置的幾何參數。這包括膜的直徑和厚度以及腔體的高度。在加壓情況下，可移動膜將發(fā)生偏移，這會導致電容發(fā)生變化。為了加強信號，可利用多膜并聯(lián)。在此，有兩個區(qū)域對壓力敏感，有兩個區(qū)域可作為參考之用。傳感器信號的形成就來源于壓力敏感區(qū)域和參考區(qū)域之間的差異。信號的模數轉換發(fā)生在信號處理過程中(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用于汽車領域，壓力傳感器采用了一種特殊的SMD封裝。

　　塑料外殼有8個連接針。在傳感器芯片結合并利用金線連接之后，芯片利用硅膠進行覆蓋。待測量的環(huán)境氣體壓力通過硅膠傳送到傳感器表面。此外，它可保護芯片免受環(huán)境影響。這種封裝用于自動PCB裝置，比傳統(tǒng)封裝更具成本優(yōu)勢。

　　應用

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

　　用于側面碰撞探測的壓力測量

　　由于側面碰撞而導致乘客受傷的交通事故數量不斷攀升，側面碰撞測試準則進行了修訂。這將導致出臺更為嚴格的側面碰撞探測要求。這一要求主要針對在短時間內探測碰撞程度的傳感器系統(tǒng)。

　　側面碰撞測試原來采用的障礙物能同時接觸車門和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到這種沖擊力，并將數據傳遞給控制裝置，以便觸發(fā)安全系統(tǒng)。然而，隨著SUV(運動型多用途車)數量的不斷增多，這種車車身結構更高，當SUV發(fā)生側面碰撞時，將導致不同的事故。傳統(tǒng)的側面碰撞測試沒有涵蓋這種情況。在這種碰撞事故中，越來越多的情況是只有車門發(fā)生碰撞，而不是整側車身都發(fā)生碰撞，這意味著B柱沒有發(fā)生碰撞。因此，這就要求對側面碰撞測試準則進行修訂(FMVSS 214 NPRM)。

　　在這種情況下，加速傳感器就難以從其安裝位置——B柱探測到車門受到的沖擊力。另外一種探測側面碰撞沖擊力的方式是使用壓力傳感器。因為車門遭受的側面碰撞將導致車門發(fā)生變形，在車門腔內的壓力隨之提升。這種壓力提升可通過位于門內的壓力傳感器進行探測。

　　這能大幅度降低是否作出激活安全系統(tǒng)決定的時間。此外，壓力傳感器輸出信號的特點能更輕松地區(qū)分真正的碰撞和沖擊余波。

圖3 采用SMD封裝的高集成度壓力傳感器

　　使用壓力傳感器探測側面碰撞的另外一個優(yōu)勢是整個門作為傳感元件，因為壓力在整個門的空間分布。相應地，輸出信號也與獨立的碰撞點無關，而是完全取決于沖擊力。這就帶來了另外一個關于傳感器定位和安裝技術的優(yōu)勢：壓力傳感器的輸出在很大程度上與這些因素無關。

　　當前用于側面碰撞保護的系統(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。

　　引擎管理區(qū)的氣壓測量

　　為了更好地控制燃燒過程，汽車制造商越來越多地使用可以對物理參數進行準確測量的傳感器。這也是近年來德國能將汽車平均油耗從20世紀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英里)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準，以便降低汽車污染物的排放。

圖4 探測側面碰撞沖擊力的壓力傳感器

　　在此我們將說明引擎管理區(qū)域的傳感器應用。用于MAP應用的壓力傳感器測量進氣管的壓力和氣量(參見圖1)。這種傳感器提供的數據以及來自BAP傳感器的數據可提供對于燃油混合至關重要的信息，從而最大限度地減少尾氣排放。

　　MAP和BAP傳感器市場已經成熟。2005年，MAP傳感器的全球需求量已經達到大約3700萬個。BAP傳感器的全球需求量大約為1900萬個。該市場平均年增長率預計為6%。

　　胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)

　　預計胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)的市場增長率會更高。盡管2001年該領域的傳感器需求量大約為300萬臺，但分析師估計這種需求量在2010年將會攀升到1000萬個。接近86%的超高年增長率是以美國通過的相關法律為基礎的。因為2000年夏天在美國由于爆胎導致了一系列的致命車禍，所以美國頒布了這種法律。法律要求所有新車必須裝備胎壓喪失警告系統(tǒng)(NHTSA Final Ruling)。在歐洲，胎壓監(jiān)控應用也受到越來越多的重視，并且由于其便利和安全，正在逐步進入中等汽車領域。圖5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)并報告車輛行駛情況。這對于將系統(tǒng)從節(jié)能狀態(tài)重新激活非常重要。對于這種應用而言，電池要能持續(xù)使用超過10年時間。由中央接收單元扮演接收器的角色，該裝置除了接收TPMS信號之外，還可接收和處理來自遙控無鑰匙門禁(RKE)的信號。

圖6 TPMS傳感器元件配置