MEMS硅压阻汽车压力传感器特性详解

最新更新时间:2013-09-21来源: 互联网关键字:MEMS  硅压阻  压力传感器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

摘要:文中介绍通过采用MEMS(micro electro mechanical systems)技术制造的硅压阻力敏元件结合智能集成化信号调理技术设计了适合批量制造的小型化坚固封装的通用汽车压力传感器。通过智能调理技术将传感器的零位和满度进行温度校准实现了宽温度工作范围内的高精度测量,并且适合于批量制造。

  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

  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

  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

  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

  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

  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

  图6信号处理链路框图

  在温度传感器的辅助作用下通过信号转换开关分时读取压力与温度的数值,通过可编程增益放大器将微弱信号放大,再经过ADC量化传感器的信号进入数字处理器计算当前温度和压力下的补偿后压力输出给数模转换DAC输出模拟信号。而温度补偿则可以通过通讯接口将参数写入EEPROM供数字处理器计算时调用。如此多的功能部件均可集成制作在一块单一芯片上,使得ASIC电路很容易和MEMS技术制作的压力敏感芯片封装在一个小巧的壳体中。

  在宽温度范围内实测校准后的传感器有效抑制了温度变化对其产生的影响。如图7所示的多只标准信号输出的传感器宽温度校准数据曲线:不难看出,在宽温度工作环境下采用此法校准的传感器的读出温度误差约为1%一2%FS,达到宽温度的高精度测量要求,且通过多通道的通讯接口进行校准的方法与批量制造技术兼容,实现制造车用传感器的高性价比的要求。

  图7多传感器宽温度校准数据曲线

  图7多传感器宽温度校准数据曲线

  3综合封装与结论

  将传感器与信号调理电路板封装在一个直径23mm高27.5mm的不锈钢金属壳体内并且在传感器的一端使用接插件的方式作为信号连接,方便测试及维护。总体封装后如图8所示。

  图8总体封装外观图

  图8总体封装外观图

  该MEMS硅压阻汽车压力传感器在MEMS技术、封装技术与信息技术的结合下成为一个具备高性价比的实用化产品。是当代先进技术的结合,值得重视其发展。

关键字:MEMS  硅压阻  压力传感器 编辑:神话 引用地址:MEMS硅压阻汽车压力传感器特性详解

上一篇:一种嵌入式网络接口设计
下一篇:人体接触应用中的电容检测

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 20:48

介观型微压力传感器介绍及设计
    压力传感器应用广泛,例如汽车中的多路压力测量(如空气压力测量和轮胎系统、液压系统、供油系统的压力测量)、环境控制(如加热、通风和空气调节)中的压力测量、航空系统中的压力测量以及医学中动脉血液压力测量等。这里将在传统压力传感器中使用一种新原理一介观压阻效应口,即在共振隧穿电压附近,通过4个物理过程,将一个微弱的力学信号转化为一个较强的电学信号。 用基于介观压阻效应的共振隧穿薄膜替代传统的压阻式应变片作为敏感元件,通过理论分析和仿真计算验证了该结构对传感器灵敏度、固有频率的影响,从理论上证明了介观压阻效应原理可以提高压力传感器的灵敏度,扩大其测量频率的范围。  介观压阻效应及GaAs,AlAs/InGaAsDBRT结构
[工业控制]
MEMS传感器在移动设备上的应用介绍
   MEMS传感器 包括加速度计(ACC)、陀螺仪(GYRO)、磁力计(MAG)、 压力传感器 (PS)和话筒(M IC )。因为低成本,小尺寸,低功耗,高性能,MEMS传感器近几年来被集成到 便携设备 内。   快速的CPU、多任务处理的操作系统、高灵敏度 GPS 接收器、 3G / 4G 无线 通信 芯片组、高分辨率数字摄像头、触摸屏 LCD 显示屏 和大容量存储器是智能手机的共同特性。MEMS传感器的用途不再局限于当前的应用领域,例如,屏幕旋转、省电、运动检测、数字罗盘和3D游戏。目前导航厂商正在开发更先进的MEMS传感器应用,例如,增强实境(AR)、定位服务(LBS)、行人航位推算系统(PDR)。   本文将论述
[电源管理]
<font color='red'>MEMS</font>传感器在移动设备上的应用介绍
MIT研究人员用3D列印降低MEMS制造成本
    当今的微机电系统(MEMS)所使用的量产制造技术仰赖昂贵的半导体微影设备。因此,晶片的生产通常需要存在一个相当大的市场,才足以涵盖某种特定元件的生产成本要求,以及实现商品化的可能性。 美国麻省理工学院(MIT)微系统技术研究室(Microsystems Technologies Laboratories)的研究人员日前展示几种能以低成本打造MEMS的新方法,不仅可让所生产的元件实现简单的客制化,同时还利用一种桌上型的3D列印晶圆厂,为制造商提供一种全新的替代路径。 这种制造MEMS的新途径能够实现一些数量较小的新感测器与元件;这些元件通常无法找到够大的市场为其涵盖使用传统制程从IP到终端产品的完整开发与成本。
[手机便携]
xMEMS推出适用于智能眼镜和扩展现实(xR)头戴式耳机
xMEMS推出适用于智能眼镜和扩展现实(xR)头戴式耳机应用的单芯片MEMS高频扬声器Tomales 中国,北京-2021年12月8日-xMEMS Labs(美商知微电子)今日推出首款单芯片MEMS高音单体扬声器Tomales。Tomales的上发音及侧发音封装选项和1mm薄的厚度简化了扬声器的装配与摆放位置,在智能眼镜和扩展现实(xR)头戴式耳机应用中可直接将音频传导入耳。在3cm的开放音场(free-air)中,Tomales在2kHz可达75dB SPL(声压级),在4kHz达90dB,在10kHz则是超过108dB。Tomales采用xMEMS第二代M2扬声器单元架构,在SPL/mm2上所带来的改善使其能在较小的外形中
[手机便携]
xMEMS推出适用于智能眼镜和扩展现实(xR)头戴式耳机
贸泽备货:InvenSense ICM-20789业界首款7轴运动和压力传感器
2018年3月12日 – 专注于新产品引入 (NPI) 并提供极丰富产品类型的业界顶级半导体和电子元件分销商贸泽电子 ( Mouser Electronics ) 即日起开始分销TDK集团旗下子公司 InvenSense 的 ICM-20789 。此业界首款7轴惯性和气压传感器在4×4 mm 微型封装中集成了3轴陀螺仪、3轴加速度计、数字运动处理器™ (DMP) 和超低噪声 MEMS 电容式气压 传感器 。 贸泽备货的 InvenSense ICM-20789 集成了TDK最新的高性能6轴运动传感器,具备最精准的旋转和线性运动跟踪功能,并简化了传感器信号融合。陀螺仪具有±250 dps至±2000 dps的可编程满量程范围
[传感器]
贸泽备货:InvenSense ICM-20789业界首款7轴运动和<font color='red'>压力传感器</font>
无处不在的微机电系统(MEMS)陀螺仪
  想象下你坐在一个以恒定转速旋转着的旋转木马上:你站在它的中心,开始以一个恒定的速度沿着一条直线行走,这条直线是以放射状画在地板上,从中心指向外沿(图1)。你会感觉到什么力量?这一问题的答案会有助于解释MEMS陀螺仪的工作原理。   如今,1817年发明的陀螺仪在车辆控制、航空、航天、导航、机器人及军事领域都得到了应用。MEMS陀螺仪也推动了在消费电子产品当中的应用,例如:在固定相机中的应用和交互式视频游戏中的应用。许多智能手机的应用程序也都充分利用了MEMS陀螺仪的功能。   工程师们知道,日常活动中的主导力是物理接触力,例如:摩擦力,以及在一定距离上作用的力--电磁力和重力。然而什么是惯性力、离心力,以及以科里奥利(
[电源管理]
无处不在的微机电系统(<font color='red'>MEMS</font>)陀螺仪
选择压力传感器压力变送器须知
选择压力传感器压力变送器的常识 1、传感器测量的是何种压力 答:您首先要考虑的是您的系统的最大压力。一般您需要的压力传感器压力范围最大值应该达到您系统最大压力值的1.5倍。我们建议的这些额外的压力范围是由于许多的系统,特别是水压和过程控制,有压力尖峰或者连续的脉冲。这些尖峰可能会达到“最大”压力的五倍甚至十倍,且可以造成传感器的损坏。连续的高压脉冲,接近或者超过传感器的最大额定压力,也会缩短传感器的寿命。但是仅仅提高传感器额定压力并不是万全之策,因为这会牺牲传感器的分辨率。您可以使用缓冲器来减弱尖峰,但是这也仅仅是一个折中方案,因为这会降低传感器的响应速度。 所有的压力传感器都在设计成能在2亿个周期中承受最大压力而不会
[嵌入式]
MEMS会议召开,揭秘MEMS新技术和新应用
美国微机电系统(MEMS)产业协会于11月5~7日在Monterey召开微机电系统(MEMS)管理人会议,与会者们认为微电机系统(MEMS)芯片在今后仍将被广泛用于不同消费电子产品。据参与此次大会的分析人士预测,2008年MEMS在消费电子产品市场所占份额将增长4%~5%,接近70亿美元;但因为消费性支出减少,2009年整个MEMS市场将增长缓慢,甚至会有一定程度的萎缩。 Bourne Research调研机构分析人士Marlene Bourne表示,“到2009年,MEMS市场有可能将首次面临负增长”,“消费增长缓慢的情况将至少持续18个月。在接下来的18~24个月时间里各个公司的核心MEMS应用方案将趋于具体
[传感器]
<font color='red'>MEMS</font>会议召开,揭秘<font color='red'>MEMS</font>新技术和新应用
小广播
最新模拟电子文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved