MEMS汽車壓力傳感器的標(biāo)定算法研究

【摘" 要】壓力傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，在汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)和TPMS（汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）等零部件大量應(yīng)用。標(biāo)定過程是壓力傳感器關(guān)鍵工藝，標(biāo)定過程中的保壓和溫控是該工藝的關(guān)鍵控制特性，為了確保傳感器完全達(dá)到設(shè)定溫度，標(biāo)定過程需要很長的溫度穩(wěn)定時(shí)間，也需要高精度的溫度和壓力控制，為生產(chǎn)帶來較大的困難，生產(chǎn)節(jié)拍難以提高，產(chǎn)量受到制約。新開發(fā)的壓力傳感器標(biāo)定算法，將有效減少高精度壓力和溫度控制設(shè)備，避免昂貴設(shè)備投資，并且降低生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。文章以TPMS為例，介紹新標(biāo)定設(shè)計(jì)方案，其他壓力檢測產(chǎn)品也可以借鑒。

【關(guān)鍵詞】MEMS；TPMS；惠斯通電橋；多路復(fù)用

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0073-04

Research on Calibration Algorithm of MEMS Automotive Pressure Sensor

【Abstract】Pressure sensors are widely used in industrial automation，automotive electronics，medical equipment and consumer electronics and other fields，in the automotive engine，air conditioning and TPMS（automotive tire pressure monitoring system）and other parts are widely used. The calibration process is the key process of pressure sensor，and the pressure holding and temperature control in the calibration process are the key control characteristics of the process. In order to ensure that the sensor fully reaches the set temperature，the calibration process requires a long temperature stability time，and also requires high-precision temperature and pressure control，which brings greater difficulties to the production，and the production beat is difficult to improve，and the output is restricted. The newly developed pressure sensor calibration algorithm will effectively reduce high-precision pressure and temperature control equipment，avoid expensive equipment investment，and reduce production time and improve productivity. This paper will take TPMS as an example to introduce the new calibration design scheme，and other pressure detection products can also be used for reference.

【Key words】MEMS；TPMS；wheatstone bridge；multiplexing

0" 引言

根據(jù)已統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023年全球壓力傳感器市場銷售額達(dá)到了106.26億美元，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到141.47億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為4.14%（2024—2030）。中國市場在過去幾年變化較快，2023年市場規(guī)模為20.52億美元，約占全球的19.31%，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到31.02億美元，屆時(shí)全球占比將達(dá)到21.93%。市場前景雖然廣闊，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，市場競爭激烈，廠商需要不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)和技術(shù)水平，提升生產(chǎn)效率，以贏得市場份額。壓力傳感器核心廠商主要包括Bosch、Denso、Sensata、Amphenol和NXP等。

每個(gè)壓力傳感器出廠前都需要進(jìn)行壓力溫區(qū)標(biāo)定，將輸出電壓值、實(shí)際氣壓值準(zhǔn)確對應(yīng)。不同的壓力傳感器應(yīng)用，對壓力測量量程與精度要求有所不同，比如對于乘用車應(yīng)用TPMS產(chǎn)品，在450kPa（絕壓）的量程范圍內(nèi)，只需要滿足10kPa的精度要求。對于實(shí)現(xiàn)不同零部件產(chǎn)品功能，可以采用不同的標(biāo)定方法，更密集的數(shù)值擬合，可以獲得更高的精度。本文將介紹如何將MEMS壓力傳感器應(yīng)用到TPMS零部件產(chǎn)品中。

1" TPMS傳感器應(yīng)用基本介紹

1.1" TPMS傳感器的組成結(jié)構(gòu)

該TPMS傳感器主要包括MEMS壓力傳感器、微控制器、射頻電路和電源4個(gè)部分，圖1為內(nèi)部模塊圖。

壓力測量工作原理如下。MCU作為微處理器，將MEMS壓力傳感器輸出的電壓值進(jìn)行A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出環(huán)境的氣壓值，將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻（一般為433.92MHz）發(fā)射出去。接收端收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理分析，判斷是否輸出報(bào)警信息給用戶。當(dāng)然，TPMS傳感器還包含有溫度傳感器、振動(dòng)傳感器以及低頻感應(yīng)模塊等，壓力是主要指標(biāo)，需重點(diǎn)關(guān)注。

1.2" MEMS傳感器原理介紹

MEMS傳感器具有體積小、精度高、成本低、可批量制造的優(yōu)點(diǎn)。

MEMS傳感器原理如下。MEMS壓力傳感器采用可擴(kuò)散硅，將壓敏電阻擴(kuò)散在硅薄膜上，當(dāng)受到壓力時(shí)，薄膜發(fā)生變形，于是電阻隨壓力的變化，阻值產(chǎn)生變化。通過測量阻值，就可以確定外界壓力的大小。MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在可擴(kuò)散硅上，將所擴(kuò)散的壓敏電阻連接成惠斯通電橋，給橋組提供電壓進(jìn)行分壓，并提取另外兩端的電壓進(jìn)行測量，如圖3所示。當(dāng)有壓力作用在硅片橋組上時(shí)，由于產(chǎn)生形變，引起壓敏電阻阻值的變化、電橋失衡、電壓變化，該失衡量與被測壓力形成一定比例，由此可以反映壓力數(shù)值的大小。MEMS傳感器參數(shù)見表1。

2" 標(biāo)定設(shè)計(jì)原理

在惠斯通電橋上施加一定的電壓，施加外界的壓力與輸出端的橋壓（電壓）值呈線性變化，通過采樣橋壓值，按照確定的計(jì)算方法可得環(huán)境氣壓。但是不同的DIE存在個(gè)體的差異，對于相同的氣壓，每個(gè)芯片輸出的橋壓值也不一致。雖然外界壓力于橋壓呈線性變化，但是也不能直接獲得準(zhǔn)確的環(huán)境壓力。所以，為計(jì)算出準(zhǔn)確的環(huán)境壓力值，需要進(jìn)行標(biāo)定，確定零位參數(shù)，再根據(jù)測量橋壓進(jìn)行比例計(jì)算即可得到環(huán)境壓力。影響橋壓值的因素，除了環(huán)境壓力還有溫度。

溫度作為橋壓值的主要影響參數(shù)，在相同的氣壓、不同的溫度，惠斯通電橋輸出的橋壓值也不一致。所以，標(biāo)定的意義，不但要計(jì)算出氣壓與橋壓的比例關(guān)系，還要計(jì)算出溫度造成的影響。

2.1" 一般標(biāo)定流程

目前行業(yè)里，主流采用的是MAXIM和ZMD公司解決方案，提供標(biāo)定檢測芯片，芯片內(nèi)固化標(biāo)定軟件，連接惠斯通電橋，將橋壓處理放大。另外，該芯片內(nèi)還具有溫度傳感器，經(jīng)過溫度與壓力的標(biāo)定后，換算出標(biāo)定參數(shù)，并將參數(shù)寫入該芯片EEPROM內(nèi)。以后產(chǎn)品所測量的數(shù)據(jù)都會(huì)通過標(biāo)定參數(shù)的校準(zhǔn)后輸出相應(yīng)的電壓值以表示目前測量氣壓的真實(shí)值。

對于TPMS傳感器，也采用該解決方案，產(chǎn)品的工作溫度范圍為-40～125℃，采用9點(diǎn)標(biāo)定法，即選擇3個(gè)溫度點(diǎn)、3個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。3個(gè)溫度點(diǎn)分別為-40℃、25℃、125℃；3個(gè)壓力點(diǎn)為0kPa（表壓）、1.5kPa、3.5kPa，標(biāo)定過程所控制的壓力精度直接關(guān)系到產(chǎn)品的測量精度，所以該控制壓力精度要求較高，希望控制在2kPa以下。主要標(biāo)定設(shè)備為Mensor高精度氣壓控制器、氣壓罐和高低溫箱。標(biāo)定步驟為以下。

1）將待標(biāo)定的產(chǎn)品放入氣壓罐內(nèi)。

2）首先在室溫下，分別將氣壓控制到0kPa、1.5kPa、3.5kPa，將測量出來的橋壓保存。

3）將溫度降低到-40℃，為確保芯片內(nèi)溫度穩(wěn)定到低溫點(diǎn)，需要高低溫箱到達(dá)指定溫度后，保持3h以上，確保芯片內(nèi)部溫度穩(wěn)定。由于傳感器芯片進(jìn)行了封裝，溫度傳導(dǎo)緩慢，內(nèi)部溫度變化緩慢。由于溫度傳感器與壓力傳感器并未封裝在一起，所以二者溫度變化也不會(huì)一致。為避免壓力傳感器的溫度與溫度傳感器的溫度不一致，需要保持較長時(shí)間。

4）將溫度上升到125℃后，保持3h，讀取3個(gè)壓力點(diǎn)橋壓值保存。從標(biāo)定參數(shù)中可以得到3個(gè)氣壓下溫度對橋壓的斜率，通過線性關(guān)系可以計(jì)算任何氣壓下溫度對橋壓的斜率。因此，在產(chǎn)品應(yīng)用過程中，得到溫度和橋壓參數(shù)，即可計(jì)算出對應(yīng)氣壓。

產(chǎn)品開發(fā)中，選擇一款帶有溫度傳感器的MCU，可以測量環(huán)境溫度用于校準(zhǔn)測量的環(huán)境壓力。但由于標(biāo)定過程的溫度變化，壓敏電橋的保護(hù)硅凝膠導(dǎo)熱緩慢，致使需要較長時(shí)間的保溫過程，才能確保電橋的溫度穩(wěn)定在設(shè)置的標(biāo)定溫度。

這種標(biāo)定方法的最大問題在于工藝性差，如果生產(chǎn)一只發(fā)射器產(chǎn)品，其標(biāo)定時(shí)間（包括傳感器放置到壓力罐并螺母鎖緊，降溫、升溫、溫度保持）將超過8h，該標(biāo)定方法難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.2" 新型標(biāo)定方法

新型標(biāo)定方法旨在實(shí)現(xiàn)流水線快速大批量標(biāo)定的要求。TPMS產(chǎn)品，不僅是檢測環(huán)境壓力，同時(shí)需要做大量的邏輯運(yùn)算，包括高低壓報(bào)警、氣壓變換報(bào)警、信號(hào)編碼與傳輸、低功耗喚醒和狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。選擇一款小型內(nèi)置溫度傳感器的MCU。

在對同一個(gè)Wafer的不同傳感器芯片進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)Wafer中，其芯片的一些參數(shù)具有相似特性，如果將這些相似的參數(shù)進(jìn)行整合，便可以設(shè)計(jì)出一種算法，通過常壓常溫下單點(diǎn)標(biāo)定，以達(dá)到流水線生產(chǎn)的目的。在理論研究的基礎(chǔ)上重新規(guī)劃標(biāo)定算法，分成樣本標(biāo)定與產(chǎn)品標(biāo)定兩部分。對于一片Wafer的DIE（裸片，一個(gè)Wafer包括6～7千只傳感器DIE），具有接近的特性參數(shù)，特點(diǎn)是在確定氣壓下，溫度對橋壓具有近似線性關(guān)系，其斜率基本相同。如圖4所示，在同一個(gè)Wafer采集大量的裸片進(jìn)行驗(yàn)證測試，并且在不同Wafer進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。在同一個(gè)環(huán)境壓力下，輸出的橋壓與溫度成反比例關(guān)系，斜率幾近相同。

通過隨機(jī)抽取若干樣本進(jìn)行一般標(biāo)定方法標(biāo)定，確定整個(gè)Wafer的芯片特性曲線參數(shù)，一般標(biāo)定的時(shí)間較長，但是因?yàn)闃颖緮?shù)量不多，可以取100只左右求數(shù)學(xué)期望，采用多路復(fù)用標(biāo)定方法，一次完成標(biāo)定，8h即可。

2.2.1" 樣本標(biāo)定

通過多路復(fù)用的并行標(biāo)定，另一方面，擴(kuò)大壓力罐的容積，依次進(jìn)行多個(gè)發(fā)射器的標(biāo)定，設(shè)計(jì)上采用多路復(fù)用的方法。但是，壓力罐無法做到一點(diǎn)氣不漏，當(dāng)壓力罐的容積增加后，Mensor高精度壓力控制器難度也會(huì)增加，容積越大，為達(dá)到高精度，Mensor需要為壓力罐補(bǔ)氣放氣進(jìn)行控制所需的氣量也越大，就越難控制，同時(shí)增加了壓力穩(wěn)定的時(shí)間。在進(jìn)行多次的試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)一款緊湊型容器，可容納64個(gè)待標(biāo)定傳感器，減小內(nèi)部空氣所占空間，可實(shí)現(xiàn)并行2個(gè)壓力罐，完成一次性標(biāo)定的發(fā)射器為128個(gè)。

整個(gè)壓力罐采用不銹鋼加厚外殼，針對該方案設(shè)計(jì)測試壓力罐及接口控制陣列，如圖5所示。

圖6是標(biāo)定控制器的原理框圖。一方面，PC機(jī)將采樣數(shù)據(jù)處理后傳給產(chǎn)品端保存，另一方面進(jìn)入數(shù)據(jù)庫保存可作為產(chǎn)品追溯。K線轉(zhuǎn)接板是進(jìn)行通信電平的轉(zhuǎn)換，提高通信數(shù)據(jù)的抗干擾性和傳輸距離，采集板實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的功能，分別對128只產(chǎn)品進(jìn)行電路切換采樣，并將數(shù)據(jù)傳給PC。

在PC電腦端設(shè)計(jì)一款應(yīng)用程序，用于控制和記錄標(biāo)定過程，設(shè)置后無需人員看管，自動(dòng)完成整個(gè)標(biāo)定過程，標(biāo)定數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫表格保存到服務(wù)器。上位機(jī)標(biāo)定應(yīng)用界面如圖7所示。

PC端通過RS232串口，將控制信息發(fā)送給標(biāo)定控制板，采集板多路復(fù)用標(biāo)定，當(dāng)傳感器檢測到BD低電平，則使能SCI通信功能，標(biāo)定包括3個(gè)點(diǎn)的溫度氣壓標(biāo)定；生成燒錄ID（只690用）；讀出ID并與最終標(biāo)定參數(shù)綁定。所需設(shè)備：PC機(jī)、標(biāo)定控制板（可控制128路）。標(biāo)定通信傳輸如圖8所示。

樣本標(biāo)定完成后，得出128只產(chǎn)品的參數(shù)，算取平均溫度-橋壓斜率。

2.2.2" 產(chǎn)品標(biāo)定

當(dāng)半成品完成元器件貼片焊接后，便可進(jìn)入圖9的產(chǎn)品標(biāo)定流程。

樣本標(biāo)定的溫度-橋壓斜率作為整個(gè)Wafer的芯片斜率，那么只要對單個(gè)芯片進(jìn)行1個(gè)溫度點(diǎn)（常溫），最低（常壓）和最高（350kPa）2個(gè)壓力點(diǎn)的標(biāo)定，將標(biāo)定參數(shù)存入產(chǎn)品存儲(chǔ)器內(nèi)，通過氣壓量程內(nèi)等比例線性關(guān)系，當(dāng)產(chǎn)品采樣到溫度和橋壓值后，便可以換算出準(zhǔn)確的氣壓值。溫度點(diǎn)可以任意選取，最方便的是室溫點(diǎn)，因?yàn)閭鞲衅饕呀?jīng)常溫下長時(shí)間放置，無需升溫或者降溫過程，無需溫度穩(wěn)定過程。常壓下標(biāo)定可以直接讀取橋壓，只需進(jìn)行一次350kPa的壓力施加進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計(jì)了一套快捷加壓裝置，直接通過一個(gè)氣嘴在產(chǎn)品的壓力檢測氣孔施加壓力，機(jī)械工裝探測到產(chǎn)品后，自動(dòng)將氣嘴頂住產(chǎn)品氣孔，加壓到350kPa，穩(wěn)定3～5s后讀取數(shù)據(jù)，在理想情況下，每只產(chǎn)品標(biāo)定時(shí)間可以控制在10s內(nèi)完成。那么一條流水線在8h內(nèi)可以生產(chǎn)2800只，在較少的投入下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

2.2.3" 產(chǎn)品主要性能指標(biāo)及對比

表2是國外某傳感器知名品牌的測量參數(shù)表，該傳感器廣泛應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域。

該技術(shù)參數(shù)顯示，在6δ品質(zhì)因素下，在全溫區(qū)范圍內(nèi)的壓力測量誤差為：±8×1.37≈±11kPa。

根據(jù)新標(biāo)定方法，生產(chǎn)一批產(chǎn)品，從中隨機(jī)挑選200樣品進(jìn)行復(fù)查：經(jīng)過對比，精度最大誤差lt;10kPa，滿足產(chǎn)品所要求水平。

3" 結(jié)束語

該算法已經(jīng)順利導(dǎo)入實(shí)際量產(chǎn)項(xiàng)目，在滿足產(chǎn)品性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，有效提升了產(chǎn)品單件流的節(jié)拍和生產(chǎn)周期，大幅度降低產(chǎn)線設(shè)備投資，降低制造成本。

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