汽车压力传感器方案

2021-03-05 16:29:55 208

汽车压力传感器方案

——JHM2102在压容陶瓷传感器上的应用

北京久好电子科技有限公司 刘海军

 

一、   压力传感器的种类及特点

压力传感器的种类有溅射薄膜、硅压阻、应变片、蓝宝石、玻璃微熔、陶瓷压阻、陶瓷压容等,国内大批量生产主要是硅压阻、陶瓷压阻、玻璃微熔和陶瓷压容,下面分别介绍下这几种类型传感器的特点:

1.  硅压阻:

利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性,通过集成电路工艺和MEMS加工工艺研制出了硅压阻传感器,目前硅压阻最小尺寸可以做到0.5*0.5mm以内,这样一片8寸晶圆上就可以切割出近10万支压力传感器。硅压阻传感器作为微型传感器中的一种,具有尺寸小,产量高、成本低、过载能力强、抗干扰能力强、信号输出灵敏度高等优点。由于常规封装一般采用正压结构,一般只可以测量一些纯净的没有腐蚀性的介质,温度漂移较大,满量程温漂达到0.15%F.S/℃。目前硅压阻压力芯体常用的非隔离和隔离两种封装结构,非隔离式一般封装在塑料外壳内,硅片表面点硅凝胶保护,这种结构比较适合车用进气歧管压力、胎压和大气压力的测量,量程和成本优势明显,也有用点特殊胶水封装后应用与机油、水、尾气压力测量的,但使用寿命问题难以解决。隔离封装一般使用金属膜片内部充油方法,这种封装方式可用于机油、冷媒、燃油、尾气等有腐蚀性或污染严重介质,但由于充油工艺复杂生产成本高,相对于其它种类的传感器来说性价比不是很明显。除了以上的两种封装方式,目前国内厂家在开发一种倒封装结构,这种结构由硅片背面直接与介质接触,可以避免硅片表面的电路被腐蚀和污染的风险。倒封装工艺一旦成熟一定可以使硅压阻传感器适合更多的应用。

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图1-1 扩散硅压力芯体

2.  陶瓷压阻:

陶瓷电阻技术采用厚膜印刷工艺将惠斯通电桥印刷在陶瓷结构的表面,利用压敏电阻效应,实现将介质的压力信号转换为电压信号。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ~135 ℃,电气绝缘程度2kV,这样高的绝缘强度其它传感器很难做到,目前国内有较多厂家提供陶瓷电阻压力传感器芯体。但该技术信号输出灵敏度低,量程一般限定在500kPa~10MPa,且常规中空结构,仅靠膜片承压,抗过载能力差,当待测介质压力过载时,陶瓷电阻传感器会存在膜片破裂,介质泄露的风险。陶瓷压阻适合冷媒、机油,刹车的压力测量应用。陶瓷压阻传感器芯体自带温度补偿,温漂可以做到0.02%F.s/℃,所以对于绝大多数应用不需要再做温度补偿,可以降低生产成本。一般的陶瓷压阻传感器时漂问题比较突出,对物料的采购和生产工艺要求较高。

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图1-2 陶瓷压阻芯体

 

3.  玻璃微熔:

玻璃微熔技术采用高温烧结工艺,将硅应变计与不锈钢结构结合。硅应变计等效的四个电阻组成惠斯通电桥,当不锈钢膜片的另一侧有介质压力时,不锈钢膜片产生微小形变引起电桥变化,形成正比于压力变化的电压信号。玻璃微熔工艺实现难度较大,成本高。主要优势是介质耐受性好,抗过载能力强,一般适用于高压和超高压量程,如10MPa~200MPa,应用较为受限。玻璃微熔压力传感器在柴油共轨、装载机液压、燃油泵等高压力应用优势明显,对于2MPa以下的应用,没有成本优势。除此之外玻璃微熔压力传感器温漂和硅压阻传感器相当,校准时需要温度补偿才能达到需要的精度。

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图1-3 玻璃微熔芯体

 

4.  陶瓷压容:

陶瓷压容技术采用固定式陶瓷基座和可动陶瓷膜片结构,可动膜片通过玻璃浆料等方式与基座密封固定在一起。两者之间内侧印刷电极图形,从而形成一个可变电容,当膜片上所承受的介质压力变化时两者之间的电容量随之发生变化,通过调理芯片将该信号进行转换调理后输出给后级使用。陶瓷压容技术具有量程范围宽、温度特性好、可过载能力强、长期稳定性好等优势。广泛应用于冷媒、机油、刹车、燃油等压力测量。陶瓷压容芯体有很好的温度特性,例如2MPa的芯体每100℃温漂优于0.5%F.s。搭配久好电子的JHM2102仅需要常温两点校准,就可以做到-40~125℃温区内1.5%F.S以内的精度。

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图1-4 陶瓷压容芯体

国内陶瓷压容工艺已经很成熟,陶瓷压容芯体生产工艺相对压阻芯体简单,生产成本比压阻要低,现在的陶瓷压容芯体和陶瓷压阻芯体价格已经持平。陶瓷压容的先天性优点使它特别适合于高可靠性的应用。

二、   JHM2102介绍

1.  JHM2102特点

JHM2102是一款针对陶瓷压容传感器设计的信号调理集成电路。待测的陶瓷压容一般由可变电容和参考电容组成,可变电容随外部施加压力的变化而发生变化。JHM2102将测量陶瓷电容的微小变化,经过信号调理后转换为模拟电压输出。

JHM2102使用了针对陶瓷压容芯体设计的补偿算法及电路,对于绝大多数量程的陶瓷压容来说,JHM2102仅需要常温两个压力点校准即可达到全温区1.5%F.S的精度。

JHM2102供电电压4.5~5.5V,自带±40V的过压和反接防护;~4mA的工作电流和-40~135℃的汽车级工作温区;使用标准的3线通信,经过简单的校准即可输出需要的标准电压信号;JHM2102外部电路仅需要几个电容即可可靠的工作,有可通过ISO11452-2,ISO11452-4,ISO10605标准的参考电路。

2.  JHM2102校准原理

JHM2102是一款针对陶瓷电容传感器设计的信号调理电路。它所适用的陶瓷电容传感器一般具有可变电容CVAR和参考电容CREF两个电容,其中CVAR随外部压力的变化而变化,而CREF电容基本不随压力变化而变化。JHM2102充分利用这两个电容的特点,测量两者的比值,并经过一系列的信号调理产生出与压力变化成比例的电压信号输出。

JHM2102与陶瓷电容传感器组装后需要进行校准,校准需在常温下采集不同压力条件下的电压输出,并由外部的软件计算出准确的校准参数。外部连接的电路驱动VDD至特定电压进入OTP编程模式。在此模式下,OUT引脚变为数字输入输出引脚,外部驱动电路将计算出的校准参数写入OTP完成校准工作。

3.  批量校准套件

JHM2102有成熟的批量生产套件,特别是MCB2100校准板可以直接安装到自动校准测试系统上,直接与工业计算机通信,校准速度可以达到5S/支。MCB2100还可搭配2100批量校准软件实现手动校准,对于年产量不高的客户手动校准可以减少设备投资,校准速度要慢一些,可以达到45S/支。

客户也可通过定制工装夹具和操作软件的方法做到半自动校准,半自动校准速度可以达到15S/支。

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图2-1 MCB2100批量校准板

 

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图2-2 MC2100批量校准软件

4.  JHM2102应用电路

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图2-1 JHM2102应用电路原理图

 

表2-1 JHM2102应用电路BOM表

Comment

Description

Designator

Footprint

LibRef

Quantity

Value

Cap

NPO,5%

C2

0603

Cap

1

见注释1

Cap

X7R,25V,10%

C3, C7

0603

Cap

2

10nF

Cap

X7R,25V,10%

C4

0603

Cap

1

2.2nF

Cap

X7R,25V,10%

C5

0603

Cap

1

100nF

Cap

X7R,25V,10%

C6

0603

Cap

1

47nF

Cap

X7R,500V,10%

C8, C15

0805

Cap

2

10nF

Cap

X7R,500V,10%

C9, C14

0805

Cap

2

1nF

Cap

X7R,50V,10%

C10, C11

0603

Cap

2

100nF

CVAR

 陶瓷芯体

C12

TCDR

CVAR

1


Cap

X7R,50V,10%

C13

0603

Cap

1

10nF

Cap

X7R,25V,10%

C16

0603

Cap

1

1nF

Cap

X7R,50V,10%

C17, C18

0603

Cap

2

1nF

Header 3

Header, 3-Pin

P1

CONNECTOR

Header 3

1


Res1

5%

R1

0603

Res1

1

47R

Res1

5%

R2

0603

Res1

1

3.3K

JHM2102

SOP8L

U1

SOP8L

JHM2100

1


注释:

1、   C2为参考电容,容值需与陶瓷压容芯体配套,不是固定值。

2、   C8C9C14C15为对传感器外壳电容,需要根据客户的要求选择耐压值和封装。


 

5.  JHM2102方案的优势

JHM2102陶瓷压容方案已批量用到了汽车前装市场,测量的精度和可靠性得到了客户的认可。

众所周知陶瓷压容的电容变化量与压力呈倒数关系,非线性比较差,一般的电容压力调理芯片需要采集多个压力点进行拟合,才能达到需要的精度。JHM2102通过内部算法和校准电路简化了这个校准过程,仅需采集两个压力点即可校准出优于0.2%F.S非线性偏差的传感器。JHM2102内部电路采用温度自补偿技术,芯片温漂极小,配合低温漂的陶瓷压容芯体,可以做到常温校准保证全温区的输出精度在1.5%以内。极大的降低了客户的生产成本,提高了生产效率。使用标准的压力控制器和快速的工装夹具,单人操作每日可校准600支以上(8小时工作制)。

北京久好和国内的几家陶瓷压容生产商联手推出陶瓷压容传感器套片,可以一站式的为客户提供压容陶瓷芯体和电容信号调理芯片。

北京久好与国内外压力校准设备生产商有合作关系,可以按客户的产量推荐合适的的压力校准设备。

北京久好有着多年传感器开发和批量生产经验的技术支持团队。自成立以来,已支持了近百家客户完成了久好芯片的应用和传感器批量生产。支持了多条自动和半自动压力传感器生产线的软件和硬件设计。

三、   陶瓷压容传感生产流程

 

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图3-1 陶瓷压力传感器生产流程图

 


生产前需要准备好传感器的所有配件,这些配件包括传感器金属外壳、密封垫/圈、压容陶瓷芯体、FPCB、接插件、密封胶及其它辅料。


1、 前检

所用工具:卡尺,FPCB测试工装

检查金属外壳、接插件尺寸是否符合图纸公差要求,一些插件由于遇热尺寸会发生变化,需要提前加高温老化处理。

检查密封垫(圈)尺寸是否满足图纸要求,材质是否与客户测量介质兼容。

使用FPCB测试工装测试FPCB工作是否正常

检查压容陶瓷芯体是否满足量程要求,芯体有无碰伤。


2、 组装

所用工具:恒温焊台、压力机、冲压模具

使用恒温焊台将FPCB、接插件和压容陶瓷芯体焊接到一起,将密封垫片放置于传感器金属外壳的凹槽内,将陶瓷压容芯体、接插件装卡到金属外壳内,接插件压紧陶瓷压容芯体,保证FPCB的接地弹片可靠接地

使用压力机和冲压模具将金属外壳和接插件铆压(还有卡簧和螺纹压紧等组装方式)在一起。

一些防护等级高的产品,在金属外壳与接插件的连接处需要做打胶处理。


3、 高低温老化

所用工具:高低温试验箱,传感器老化支架

陶瓷压容传感器组装后,部分产品会有残余应力,这些应力如果不释放可能导致传感器发生零漂现象。

高低温老化是将组装好的传感器放置于最低使用温度保持一定的时间,在放置于最高使用温度保持一定时间,一般做3次循环。


4、 校准

所用工具:压力控制器、工装夹具(如采用自动校准,则需要自动校准、检测生产线)、JHM2102批量套件

JHM2102压容陶瓷方案校准流程只有简单的几步:

设置期望输出值→采集零点压力数据→采集满量程压力数据→计算校准参数→误差检验→写入OTP永久存储

 

5、 后验

所用工具:压力交变机、高低温试验箱、压力控制器、工装夹具、万用表

后检可以抽检也可以全检,全捡会提高生产成本。

压力交变试验机可以测试传感器的密封性能及残余应力释放是否彻底。

使用压力控制器、工装夹具、高低温试验箱检验全温区传感器输出精度是否在允许范围内。

 

6、 针对传感器的一些电气性能测试

ISO11452-2,ISO11452-4,ISO10605等

使用JHM2102的抗EMC参考电路(FPCB)可以通过100V/m电磁抗扰度测试。

 

四、   推荐的校准设备

JHM2102陶瓷方案在调试和小批量样品试制阶段可以采用气压泵手动加压方法校准,手动加压一般适用于100支/天或更低的产量。批量生产建议使用压力控制器,可提高加压效率,降低人工成本。以下是推荐的一些加压设备的型号:

手工加压设备:ConST118(0~6MPa)


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压力控制器:ConST820(0~6MPa)

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气压发生装置:ConST171S

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