MEMS硅压阻汽车压力传感器特性介绍

　　0 引言

　　当今汽车性能的不断提升得益于汽车电子的不断发展。其中具有代表性的核心元件是传感器。传感器将各种物理信号转化为电信号从而将汽车行驶的具体状态传送给电子控制单元来实现汽车控制。作为汽车电子的关键部件在电子技术蓬勃发展的今天倍受瞩目。美国汽车传感器权威弗莱明在2000年的汽车电子技术综述就指出了MEMS技术在汽车传感器领域的美好前景。设计了基于MEMS技术和智能化信号调理的扩散硅压力传感器应对汽车压力系统的压力检测。

　　1 传感器原理及封装设计

　　为了将压力信号转化为电信号采用了应变原理，将惠斯顿检测电桥通过MEMS技术制作在单晶硅片上。使得单晶硅片成为一个集应力敏感与力电转换为一体的敏感元件。如图1所示。

图1敏感元件

　　当硅芯片受到外界的应力作用时，硅应变电桥的桥臂电阻将产生变化，一般都为惠斯顿电桥检测模式。如图2所示。

图2惠斯顿电桥

　　其输出电压表示为vo=KAR／R（Rl=如=R3=R4，△R1=△R3=△R2=△R4）。

　　因为电阻的变化直接与应力P有关，则：

式中：Vo为输出电压，mV；S为灵敏度，mV／V／Pa；P为外力或应力，Pa；VB为桥压，VOS为零位输出，mV.

　　单一的硅片芯片只能作为一个检测单元的一部分无法独立完成信号的转换，所以必须有特定的封装使其具备压力检测的能力。将图2中的硅片芯片与PYREX玻璃环静电封接在一起。

　　PYREX玻璃环作为硅芯片的力学固定支撑弹性敏感元件并且使硅芯片与封装绝缘，而PYREX玻璃环的孔恰好成为了传感器的参考压力腔体和电极引线腔体。其结构如图3所示。

图3敏感元件封装

　　如图3的敏感芯体封接在金属螺纹底座上形成进压的腔道后成为一个可安装的压力测量前端，见图4。

图4可安装的压力测量前端

　　此封装技术可以承载至少15 MPa的压力，若经特殊处理可承载100 MPa的压力。

　　2传感器的倍号智能调理设计

　　如图2传感器输出电压信号Vo=VB△R／R（R1=R2=R3=R4，△R1=△R2=△R3=△R4），在理想状态下其信号输出是一个线性变化值。但是单晶硅材料的传感器属于半导体传感器其受温度的影响比较大。这使得传感器在环境温度变化时输出呈现变化，影响读出精度。对图2的电桥加入温度对电桥的影响得出下式：

则

理想状态下若：

但是在汽车应用环境中温度的影响很大，所以必需采用补偿技术。图5为一组实测得的未补偿过的传感器的宽温度范围温度压力曲线图。显而易见，在汽车常用的工作温区，温度引入的读出误差达到了10％左右，这显然是不允许的。传统的补偿方法是在桥臂上串并联电阻法补偿，为提升工作效率采用激光修调预先制作在陶瓷基板上的厚膜电阻网络的办法来实现。但是此法有很多的缺点和局限性，并且宽温度区的补偿后精度也仅为2％～3％，达不到汽车测压的要求。

图5 宽温度范围下压力信号输出曲线

　　通过采用数字化的信号处理将传感器的微弱信号转化为标准电压信号，并且植入模型算法将输出的标准信号补偿到一定的精度范围内，是当代最新的传感器信号调理技术。

　　信号处理链路框图，图6所示。

图6信号处理链路框图