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量，量程和成本優(yōu)勢明顯，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，相對于其它種類的傳感器來說性價比不是很明顯。除了以上的兩種封裝方式，目前國內(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。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)，實現(xiàn)將介質(zhì)的壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。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)待測介質(zhì)壓力過載時，陶瓷電阻傳感器會存在膜片破裂，介質(zhì)泄露的風(fēng)險。陶瓷壓阻適合冷媒、機(jī)油，剎車的壓力測量應(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漂問題比較突出，對物料的采購和生產(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)變計與不銹鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合。硅應(yīng)變計等效的四個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，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。玻璃微熔工藝實現(xiàn)難度較大，成本高。主要優(yōu)勢是介質(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)勢明顯，對于2MPa以下的應(yīng)用，沒有成本優(yōu)勢。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陶瓷膜片結(jié)構(gòu)，可動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，從而形成一個可變電容，當(dāng)膜片上所承受的介質(zhì)壓力變化時兩者之間的電容量隨之發(fā)生變化，通過調(diào)理芯片將該信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理后輸出給后級使用。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)、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。廣泛應(yīng)用于冷媒、機(jī)油、剎車、燃油等壓力測量。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)工藝相對壓阻芯體簡單，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是一款針對陶瓷壓容傳感器設(shè)計的信號調(diào)理集成電路。待測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將測量陶瓷電容的微小變化，經(jīng)過信號調(diào)理后轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。

JHM2102使用了針對陶瓷壓容芯體設(shè)計的補(bǔ)償算法及電路，對于絕大多數(shù)量程的陶瓷壓容來說，JHM2102僅需要常溫兩個壓力點(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℃的汽車級工作溫區(qū)；使用標(biāo)準(zhǔn)的3線通信，經(jīng)過簡單的校準(zhǔn)即可輸出需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號；JHM2102外部電路僅需要幾個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是一款針對陶瓷電容傳感器設(shè)計的信號調(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充分利用這兩個電容的特點(diǎn)，測量兩者的比值，并經(jīng)過一系列的信號調(diào)理產(chǎn)生出與壓力變化成比例的電壓信號輸出。

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，并由外部的軟件計算出準(zhǔn)確的校準(zhǔn)參數(shù)。外部連接的電路驅(qū)動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)動電路將計算出的校準(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校準(zhǔn)測試系統(tǒng)上，直接與工業(yè)計算機(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)軟件實現(xiàn)手動校準(zhǔn)，對于年產(chǎn)量不高的客戶手動校準(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校準(zhǔn)，半自動校準(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

JHM2102陶瓷壓容方案已批量用到了汽車前裝市場，測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)電路簡化了這個校準(zhǔn)過程，僅需采集兩個壓力點(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小時工作制）。

北京久好和國內(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調(diào)理芯片。

北京久好與國內(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)驗的技術(shù)支持團(tuán)隊。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)。支持了多條自動和半自動壓力傳感器生產(chǎn)線的軟件和硬件設(shè)計。

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)是否與客戶測量介質(zhì)兼容。

使用FPCB測試工裝測試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、壓力機(jī)、沖壓模具

使用恒溫焊臺將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：高低溫試驗箱，傳感器老化支架

陶瓷壓容傳感器組裝后，部分產(chǎn)品會有殘余應(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間，在放置于最高使用溫度保持一定時間，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（如采用自動校準(zhǔn)，則需要自動校準(zhǔn)、檢測生產(chǎn)線）、JHM2102批量套件

JHM2102壓容陶瓷方案校準(zhǔn)流程只有簡單的幾步：

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)→計算校準(zhǔn)參數(shù)→誤差檢驗→寫入OTP永久存儲

5、 后驗

所用工具：壓力交變機(jī)、高低溫試驗箱、壓力控制器、工裝夾具、萬用表

后檢可以抽檢也可以全檢，全撿會提高生產(chǎn)成本。

壓力交變試驗機(jī)可以測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、高低溫試驗箱檢驗全溫區(qū)傳感器輸出精度是否在允許范圍內(nèi)。

6、 針對傳感器的一些電氣性能測試

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加壓方法校準(zhǔn)，手動加壓一般適用于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：

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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