汽車壓力傳感器方案

——JHM2102在壓容陶瓷傳感器上的應(yīng)用

北京久好電子科技有限公司 劉海軍

一、   壓力傳感器的種類及特點(diǎn)

壓力傳感器的種類有濺射薄膜、硅壓阻、應(yīng)變片、藍(lán)寶石、玻璃微熔、陶瓷壓阻、陶瓷壓容等，國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)主要是硅壓阻、陶瓷壓阻、玻璃微熔和陶瓷壓容，下面分別介紹下這幾種類型傳感器的特點(diǎn)：

1.  硅壓阻：

利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，通過集成電路工藝和MEMS加工工藝研制出了硅壓阻傳感器，目前硅壓阻最小尺寸可以做到0.5*0.5mm以內(nèi)，這樣一片8寸晶圓上就可以切割出近10萬支壓力傳感器。硅壓阻傳感器作為微型傳感器中的一種，具有尺寸小，產(chǎn)量高、成本低、過載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)輸出靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。由于常規(guī)封裝一般采用正壓結(jié)構(gòu)，一般只可以測(cè)量一些純凈的沒有腐蝕性的介質(zhì)，溫度漂移較大，滿量程溫漂達(dá)到0.15%F.S/℃。目前硅壓阻壓力芯體常用的非隔離和隔離兩種封裝結(jié)構(gòu)，非隔離式一般封裝在塑料外殼內(nèi)，硅片表面點(diǎn)硅凝膠保護(hù)，這種結(jié)構(gòu)比較適合車用進(jìn)氣歧管壓力、胎壓和大氣壓力的測(cè)量，量程和成本優(yōu)勢(shì)明顯，也有用點(diǎn)特殊膠水封裝后應(yīng)用與機(jī)油、水、尾氣壓力測(cè)量的，但使用壽命問題難以解決。隔離封裝一般使用金屬膜片內(nèi)部充油方法，這種封裝方式可用于機(jī)油、冷媒、燃油、尾氣等有腐蝕性或污染嚴(yán)重介質(zhì)，但由于充油工藝復(fù)雜生產(chǎn)成本高，相對(duì)于其它種類的傳感器來說性價(jià)比不是很明顯。除了以上的兩種封裝方式，目前國(guó)內(nèi)廠家在開發(fā)一種倒封裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由硅片背面直接與介質(zhì)接觸，可以避免硅片表面的電路被腐蝕和污染的風(fēng)險(xiǎn)。倒封裝工藝一旦成熟一定可以使硅壓阻傳感器適合更多的應(yīng)用。

圖1-1 擴(kuò)散硅壓力芯體

2.  陶瓷壓阻：

陶瓷電阻技術(shù)采用厚膜印刷工藝將惠斯通電橋印刷在陶瓷結(jié)構(gòu)的表面，利用壓敏電阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)將介質(zhì)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40 ～135 ℃，電氣絕緣程度2kV，這樣高的絕緣強(qiáng)度其它傳感器很難做到，目前國(guó)內(nèi)有較多廠家提供陶瓷電阻壓力傳感器芯體。但該技術(shù)信號(hào)輸出靈敏度低，量程一般限定在500kPa~10MPa，且常規(guī)中空結(jié)構(gòu)，僅靠膜片承壓，抗過載能力差，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)壓力過載時(shí)，陶瓷電阻傳感器會(huì)存在膜片破裂，介質(zhì)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。陶瓷壓阻適合冷媒、機(jī)油，剎車的壓力測(cè)量應(yīng)用。陶瓷壓阻傳感器芯體自帶溫度補(bǔ)償，溫漂可以做到0.02%F.s/℃，所以對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用不需要再做溫度補(bǔ)償，可以降低生產(chǎn)成本。一般的陶瓷壓阻傳感器時(shí)漂問題比較突出，對(duì)物料的采購和生產(chǎn)工藝要求較高。

圖1-2 陶瓷壓阻芯體

3.  玻璃微熔：

玻璃微熔技術(shù)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，將硅應(yīng)變計(jì)與不銹鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合。硅應(yīng)變計(jì)等效的四個(gè)電阻組成惠斯通電橋，當(dāng)不銹鋼膜片的另一側(cè)有介質(zhì)壓力時(shí)，不銹鋼膜片產(chǎn)生微小形變引起電橋變化，形成正比于壓力變化的電壓信號(hào)。玻璃微熔工藝實(shí)現(xiàn)難度較大，成本高。主要優(yōu)勢(shì)是介質(zhì)耐受性好，抗過載能力強(qiáng)，一般適用于高壓和超高壓量程，如10MPa~200MPa，應(yīng)用較為受限。玻璃微熔壓力傳感器在柴油共軌、裝載機(jī)液壓、燃油泵等高壓力應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于2MPa以下的應(yīng)用，沒有成本優(yōu)勢(shì)。除此之外玻璃微熔壓力傳感器溫漂和硅壓阻傳感器相當(dāng)，校準(zhǔn)時(shí)需要溫度補(bǔ)償才能達(dá)到需要的精度。

圖1-3 玻璃微熔芯體

4.  陶瓷壓容：

陶瓷壓容技術(shù)采用固定式陶瓷基座和可動(dòng)陶瓷膜片結(jié)構(gòu)，可動(dòng)膜片通過玻璃漿料等方式與基座密封固定在一起。兩者之間內(nèi)側(cè)印刷電極圖形，從而形成一個(gè)可變電容，當(dāng)膜片上所承受的介質(zhì)壓力變化時(shí)兩者之間的電容量隨之發(fā)生變化，通過調(diào)理芯片將該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理后輸出給后級(jí)使用。陶瓷壓容技術(shù)具有量程范圍寬、溫度特性好、可過載能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。廣泛應(yīng)用于冷媒、機(jī)油、剎車、燃油等壓力測(cè)量。陶瓷壓容芯體有很好的溫度特性，例如2MPa的芯體每100℃溫漂優(yōu)于0.5%F.s。搭配久好電子的JHM2102僅需要常溫兩點(diǎn)校準(zhǔn)，就可以做到-40~125℃溫區(qū)內(nèi)1.5%F.S以內(nèi)的精度。

圖1-4 陶瓷壓容芯體

國(guó)內(nèi)陶瓷壓容工藝已經(jīng)很成熟，陶瓷壓容芯體生產(chǎn)工藝相對(duì)壓阻芯體簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本比壓阻要低，現(xiàn)在的陶瓷壓容芯體和陶瓷壓阻芯體價(jià)格已經(jīng)持平。陶瓷壓容的先天性優(yōu)點(diǎn)使它特別適合于高可靠性的應(yīng)用。

二、   JHM2102介紹

1.  JHM2102特點(diǎn)

JHM2102是一款針對(duì)陶瓷壓容傳感器設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理集成電路。待測(cè)的陶瓷壓容一般由可變電容和參考電容組成，可變電容隨外部施加壓力的變化而發(fā)生變化。JHM2102將測(cè)量陶瓷電容的微小變化，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。

JHM2102使用了針對(duì)陶瓷壓容芯體設(shè)計(jì)的補(bǔ)償算法及電路，對(duì)于絕大多數(shù)量程的陶瓷壓容來說，JHM2102僅需要常溫兩個(gè)壓力點(diǎn)校準(zhǔn)即可達(dá)到全溫區(qū)1.5%F.S的精度。

JHM2102供電電壓4.5~5.5V，自帶±40V的過壓和反接防護(hù)；~4mA的工作電流和-40~135℃的汽車級(jí)工作溫區(qū)；使用標(biāo)準(zhǔn)的3線通信，經(jīng)過簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)即可輸出需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；JHM2102外部電路僅需要幾個(gè)電容即可可靠的工作，有可通過ISO11452-2，ISO11452-4,ISO10605標(biāo)準(zhǔn)的參考電路。

2.  JHM2102校準(zhǔn)原理

JHM2102是一款針對(duì)陶瓷電容傳感器設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路。它所適用的陶瓷電容傳感器一般具有可變電容CVAR和參考電容CREF兩個(gè)電容，其中CVAR隨外部壓力的變化而變化，而CREF電容基本不隨壓力變化而變化。JHM2102充分利用這兩個(gè)電容的特點(diǎn)，測(cè)量?jī)烧叩谋戎?，并?jīng)過一系列的信號(hào)調(diào)理產(chǎn)生出與壓力變化成比例的電壓信號(hào)輸出。

JHM2102與陶瓷電容傳感器組裝后需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)需在常溫下采集不同壓力條件下的電壓輸出，并由外部的軟件計(jì)算出準(zhǔn)確的校準(zhǔn)參數(shù)。外部連接的電路驅(qū)動(dòng)VDD至特定電壓進(jìn)入OTP編程模式。在此模式下，OUT引腳變?yōu)閿?shù)字輸入輸出引腳，外部驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)算出的校準(zhǔn)參數(shù)寫入OTP完成校準(zhǔn)工作。

3.  批量校準(zhǔn)套件

JHM2102有成熟的批量生產(chǎn)套件，特別是MCB2100校準(zhǔn)板可以直接安裝到自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)上，直接與工業(yè)計(jì)算機(jī)通信，校準(zhǔn)速度可以達(dá)到5S/支。MCB2100還可搭配2100批量校準(zhǔn)軟件實(shí)現(xiàn)手動(dòng)校準(zhǔn)，對(duì)于年產(chǎn)量不高的客戶手動(dòng)校準(zhǔn)可以減少設(shè)備投資，校準(zhǔn)速度要慢一些，可以達(dá)到45S/支。

客戶也可通過定制工裝夾具和操作軟件的方法做到半自動(dòng)校準(zhǔn)，半自動(dòng)校準(zhǔn)速度可以達(dá)到15S/支。

圖2-1 MCB2100批量校準(zhǔn)板

圖2-2 MC2100批量校準(zhǔn)軟件

4.  JHM2102應(yīng)用電路

圖2-1 JHM2102應(yīng)用電路原理圖

表2-1 JHM2102應(yīng)用電路BOM表

注釋：

1、   C2為參考電容，容值需與陶瓷壓容芯體配套，不是固定值。

2、   C8、C9、C14、C15為對(duì)傳感器外殼電容，需要根據(jù)客戶的要求選擇耐壓值和封裝。

5.  JHM2102方案的優(yōu)勢(shì)

JHM2102陶瓷壓容方案已批量用到了汽車前裝市場(chǎng)，測(cè)量的精度和可靠性得到了客戶的認(rèn)可。

眾所周知陶瓷壓容的電容變化量與壓力呈倒數(shù)關(guān)系，非線性比較差，一般的電容壓力調(diào)理芯片需要采集多個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行擬合，才能達(dá)到需要的精度。JHM2102通過內(nèi)部算法和校準(zhǔn)電路簡(jiǎn)化了這個(gè)校準(zhǔn)過程，僅需采集兩個(gè)壓力點(diǎn)即可校準(zhǔn)出優(yōu)于0.2%F.S非線性偏差的傳感器。JHM2102內(nèi)部電路采用溫度自補(bǔ)償技術(shù)，芯片溫漂極小，配合低溫漂的陶瓷壓容芯體，可以做到常溫校準(zhǔn)保證全溫區(qū)的輸出精度在1.5%以內(nèi)。極大的降低了客戶的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。使用標(biāo)準(zhǔn)的壓力控制器和快速的工裝夾具，單人操作每日可校準(zhǔn)600支以上（8小時(shí)工作制）。

北京久好和國(guó)內(nèi)的幾家陶瓷壓容生產(chǎn)商聯(lián)手推出陶瓷壓容傳感器套片，可以一站式的為客戶提供壓容陶瓷芯體和電容信號(hào)調(diào)理芯片。

北京久好與國(guó)內(nèi)外壓力校準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)商有合作關(guān)系，可以按客戶的產(chǎn)量推薦合適的的壓力校準(zhǔn)設(shè)備。

北京久好有著多年傳感器開發(fā)和批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)。自成立以來，已支持了近百家客戶完成了久好芯片的應(yīng)用和傳感器批量生產(chǎn)。支持了多條自動(dòng)和半自動(dòng)壓力傳感器生產(chǎn)線的軟件和硬件設(shè)計(jì)。

三、   陶瓷壓容傳感生產(chǎn)流程

圖3-1 陶瓷壓力傳感器生產(chǎn)流程圖

生產(chǎn)前需要準(zhǔn)備好傳感器的所有配件，這些配件包括傳感器金屬外殼、密封墊/圈、壓容陶瓷芯體、FPCB、接插件、密封膠及其它輔料。

1、 前檢

所用工具：卡尺，F(xiàn)PCB測(cè)試工裝

檢查金屬外殼、接插件尺寸是否符合圖紙公差要求，一些插件由于遇熱尺寸會(huì)發(fā)生變化，需要提前加高溫老化處理。

檢查密封墊（圈）尺寸是否滿足圖紙要求，材質(zhì)是否與客戶測(cè)量介質(zhì)兼容。

使用FPCB測(cè)試工裝測(cè)試FPCB工作是否正常

檢查壓容陶瓷芯體是否滿足量程要求，芯體有無碰傷。

2、 組裝

所用工具：恒溫焊臺(tái)、壓力機(jī)、沖壓模具

使用恒溫焊臺(tái)將FPCB、接插件和壓容陶瓷芯體焊接到一起，將密封墊片放置于傳感器金屬外殼的凹槽內(nèi)，將陶瓷壓容芯體、接插件裝卡到金屬外殼內(nèi)，接插件壓緊陶瓷壓容芯體，保證FPCB的接地彈片可靠接地

使用壓力機(jī)和沖壓模具將金屬外殼和接插件鉚壓（還有卡簧和螺紋壓緊等組裝方式）在一起。

一些防護(hù)等級(jí)高的產(chǎn)品，在金屬外殼與接插件的連接處需要做打膠處理。

3、 高低溫老化

所用工具：高低溫試驗(yàn)箱，傳感器老化支架

陶瓷壓容傳感器組裝后，部分產(chǎn)品會(huì)有殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力如果不釋放可能導(dǎo)致傳感器發(fā)生零漂現(xiàn)象。

高低溫老化是將組裝好的傳感器放置于最低使用溫度保持一定的時(shí)間，在放置于最高使用溫度保持一定時(shí)間，一般做3次循環(huán)。

4、 校準(zhǔn)

所用工具：壓力控制器、工裝夾具（如采用自動(dòng)校準(zhǔn)，則需要自動(dòng)校準(zhǔn)、檢測(cè)生產(chǎn)線）、JHM2102批量套件

JHM2102壓容陶瓷方案校準(zhǔn)流程只有簡(jiǎn)單的幾步：

設(shè)置期望輸出值→采集零點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)→采集滿量程壓力數(shù)據(jù)→計(jì)算校準(zhǔn)參數(shù)→誤差檢驗(yàn)→寫入OTP永久存儲(chǔ)

5、 后驗(yàn)

所用工具：壓力交變機(jī)、高低溫試驗(yàn)箱、壓力控制器、工裝夾具、萬用表

后檢可以抽檢也可以全檢，全撿會(huì)提高生產(chǎn)成本。

壓力交變?cè)囼?yàn)機(jī)可以測(cè)試傳感器的密封性能及殘余應(yīng)力釋放是否徹底。

使用壓力控制器、工裝夾具、高低溫試驗(yàn)箱檢驗(yàn)全溫區(qū)傳感器輸出精度是否在允許范圍內(nèi)。

6、 針對(duì)傳感器的一些電氣性能測(cè)試

ISO11452-2，ISO11452-4，ISO10605等

使用JHM2102的抗EMC參考電路（FPCB）可以通過100V/m電磁抗擾度測(cè)試。

四、   推薦的校準(zhǔn)設(shè)備

JHM2102陶瓷方案在調(diào)試和小批量樣品試制階段可以采用氣壓泵手動(dòng)加壓方法校準(zhǔn)，手動(dòng)加壓一般適用于100支/天或更低的產(chǎn)量。批量生產(chǎn)建議使用壓力控制器，可提高加壓效率，降低人工成本。以下是推薦的一些加壓設(shè)備的型號(hào)：

手工加壓設(shè)備：ConST118（0~6MPa）

壓力控制器：ConST820（0~6MPa）

氣壓發(fā)生裝置：ConST171S

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