汽车压力传感器的设计与制造

汽车压力传感器的设计和制造方法，为这种苛刻的环境创建坚固耐用的传感器。涵盖了材料特性选择和电路设计原则。讨论了满足一系列汽车规格和要求的成本敏感型设计。分析有缺陷的单元和制造后果，作为改进设计和制造过程的工具。

传感器设计人员承担的更具挑战性的任务之一是为汽车市场设计和制造可靠、坚固的压阻式传感器。经过多年的反复试验，这些设计人员已经开发出一些实践和技术，这些实践和技术一次又一次地被证明对汽车应用有用。为了启发和告知那些使用这项技术的人（它解决了压阻式传感器的主要批量用户），以下讨论揭示了该行业的几个技巧。

通常，产品最终成本的 80% 是在设计工作的前 20% 中确定的。因此，事先了解必要的设计实践可以最大限度地降低成本，并提高您在为苛刻的汽车环境设计坚固的PRT压力传感器方面的成功率。

如果您以前从未设计过此类传感器，那么首要任务是打开最近型号的汽车（也许是您自己的）的引擎盖，并仔细查看发动机舱。电线、软管、连接器和发动机的巢穴是传感器可能遇到的最恶劣的环境之一。考虑一下安装在发动机上的传感器的热冲击，该传感器工作温度高于100°C，并以70英里/小时的速度突然喷洒泥泞的咸水。此环境的其他属性同样严重：

位于乘客舱内的传感器接触液体和溶剂要少得多，但会受到低温、水和 EMI 的影响：

对于任一环境，传感器应具有以下各项：

为了确保传感器满足客户对性能的期望，其规格和相关测试文档应尝试捕获具有代表性的应力和操作条件。您应该阅读并理解这些文档，但请记住，它们只是代表传感器所生活的世界的最佳尝试。成功的设计基于经过验证的概念、材料和电路。例如，引擎盖下的任何连接器都代表着数十年来在设计、材料和生产技术方面的工程工作。同样，仅在几年前才被接受用于最新型号量产车辆的传感器可供您查看。您可以研究所使用的技术、使用的材料，甚至组装技术。

汽车技术维修指南确定了当今大多数车辆的传感器和接线。例如，大多数经销商和汽车零部件商店都可以获得最新型号车辆的车辆商店手册（图 2）。它们包括图纸、照片和接线电压电平。你可以从汽车零部件零售商那里买一个传感器，把它拆开，研究它，然后问问自己为什么它会被制造成现在这个样子。与您所在组织中的汽车设计专家交谈，并尝试区分他们的意见、经验法则、确凿的证据和数据。此外，还要考虑客户要求哪些新需求，客户试图实现哪些性能、成本或可靠性收益，以及这些要求是否代表他或她当前正在做的事情的逻辑进展。这种取向可能会打开你的思维，并导致“开箱即用”的创新思维。

图2.显示接线、连接器和引脚排列信息的购买手册。

在解决现有设计中的问题时，您可以从重新阅读规范和了解操作环境中受益。对于典型的汽车传感器，有几个规格很重要（图 3）。问题是否与特定规范或测试有关？如果可能，请生成一个准确的描述，以集中您的调查工作。要具体，并包括显示好与坏或问题与无问题的数据。应评估有趣的异常和其他分散您工作的工件的相关性并相应地进行分箱。也就是说，它们应该被保存并纳入调查，标记为未知，或者干脆扔到一边供以后调查。关注现有设备的基本原因涉及设计、制造和规格与使用问题。

图3.每个传感器都有详细说明预期工作特性和环境因素的规格。

如果设计不可靠，则可能无法支持客户的期望。例如，在高温下附着力降低的芯片粘接粘合剂在振动期间可能无法提供足够的强度来将模具固定到位，或者电路设计在车辆组装或服务期间可能没有足够的静电放电 （ESD） 容差。无论哪种情况，系统在通过其鉴定和设计验证压力测试后都可能在现场失败。请记住统计数据：一些选定的设备经过了设计鲁棒性测试，但生产了数十万或数百万个器件并进行现场测试。通过仔细的设计审查和合理的模拟，可以避免大多数设计问题。

传感器设计中的一个关键学科是识别所有重要特性，即如果在规格范围内实施，这些特性将产生完美的功能。在制造过程中应使用统计过程控制来跟踪这些特性。对于稳定的制造过程，如果您可以确保每个重要特性都在统计过程控制（SPC）设定的限制范围内，则无需进行测试。SPC 限值与规格限值有很大不同。如果显著特性在规格范围内，那么测试传感器只是浪费时间。

实际考虑有时会迫使对传感器进行测试。校准传感器的压力和温度性能通常比将每个子组件指定到实现盲装和运输所需的程度更具成本效益。（无论应用的持续改进水平如何，制造都不会达到完全完美的状态。了解重要特性并使用SPC跟踪它们可降低必要的测试和校准水平，从而改善周期时间，产量和（最终）成本。

缺少焊点、不恰当地混合多组分环氧树脂或安装不合规格的子组件可能会阻碍其设计的全部意图，从而破坏制造设备的最佳性能。由于此类制造问题每天甚至每小时都可能出现数千次，因此它们迫使设计、产品和工艺工程师在制造工厂过夜和周末。解决问题的时间至关重要。成千上万的装配员工正在等待车辆装配线下游的每个组件，停止流动每天可能花费超过一百万美元。

一家大型汽车供应商的高管说：“对于从客户那里退回的每一个坏部件，制造骨头堆中已经有十几个。“骨堆”是制造过程中测试和检查的后果，故障部件只是那些具有超出测试限值的可测试参数的零件（测试限值包括规格限，减去厚度和可重复性的保护带）。

有多少设备侵犯了测试限制但没有超过边缘？更重要的是，他们当初为什么要侵占？发生了什么变化？W. Edwards Deming的职业生涯就是提出这些问题，他通过将制造业与统计过程控制相结合，彻底改变了制造业[1]。接近边缘极限的零件与标准不同，并且可能在某种程度上与设计意图不同。这种变化或差异是稳定的吗？它是否会随着时间或温度而变化并导致现场故障？如果可以分析每个未通过测试或检查的组件以找到其故障的根本原因，那么通过纠正根本原因，您可以实现稳健和微调的制造过程。骨堆中的每个组件都代表着一个关于工艺差异、材料差异和尚未发现的重要特征的故事。

其他故障涉及产品的定义与其实际使用。例如，如果指定工作在0-50psi的传感器在实践中暴露在60psi，那么其故障可归因于定义不明确的规格。在更微妙的情况下，传感器被指定为在存在汽车汽油和甲醇的情况下运行。设计验证测试包括在规定的时间、温度等条件下暴露于汽油和甲醇，但传感器在现场因明显暴露于汽油而失效。事实上，暴露在甲醇和汽油的混合物中，其比例证明比单独的汽油或甲醇对材料更有害。因此，试图捕获真实世界条件的规范和测试定义存在缺陷或措辞不当。传感器符合其自身的规格，但不符合客户的期望。

由于规格定义与使用情况的许多情况在传感器设计周期的后期很难解决，因此应阅读规格和测试要求，注意传感器的实际预期环境。对于每个规格项目和测试条件，请问问自己为什么包含它以及正在解决的实际操作条件。不符合此规范的结果或含义是什么？

要解决设计和制造问题，请采用八项学科 （8-D） 问题解决技术。8-D该流程由一家大型汽车制造商多年前开发，旨在为确定根本原因和纠正措施提供有效的方法。以下是八个学科：

问题描述

遏制措施

根源

验证根本原因

永久性纠正措施

验证永久性纠正措施

预防复发

恭喜团队！

这种解决问题的技术迫使删除个人观点和“直觉”陈述，并引入事实和数据。福特电子部门的质量控制执行总监以8-D语言而闻名回顾会议，“我们相信上帝;所有其他人都带来了数据。它有效。保持

问题描述

清晰简洁，以列出受影响单位或车辆的序列号。如果采用立即调整流程或设计作为保持高质量货件的临时手段，请将其列为

遏制措施。

一旦 PCA 可用，遏制措施将被取消和/或补充

永久性纠正措施

。

根本原因将是关于什么设计、制造或规范与使用问题产生问题的最终和简洁的陈述。在将永久性纠正措施发布到生产环境之前，必须制定并执行验证计划，作为永久纠正措施序列验证的一部分。预防复发对于防止历史重演至关重要。

最后，祝贺你的团队。尽管很简单，但这一步是最常被忽视和忽视的一步。它提供了两个重要结果：团队因发现并解决了一个重要的问题而受到认可，祝贺标志着该问题的工作结束，团队解散，并允许恢复正常职责。

这个解决问题的过程是关于您的传感器产品和制造过程的有趣发现之旅。如果你对各种可能性保持开放的心态，并有足够的信心承认你并不总是拥有所有的答案，那么每个问题都可以成为一种有趣的教育经历。

诺贝尔奖获得者、物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）总结了发现事物的乐趣：“......刺激，...敬畏和神秘感一次又一次地出现，当我们足够深入地看待任何问题时。随着知识的增多，更深层次、更奇妙的神秘感，引诱着人们去更深入地探索。从不担心答案可能会令人失望，但我们带着快乐和信心翻开每块新石头，寻找无法想象的奇怪之处，从而引出更美妙的问题和谜团——这当然是一次伟大的冒险！[2].

当谈到PRT传感器材料（用于传感元件和IC的有机硅凝胶和其他保护涂层，以及芯片粘接环氧树脂）时，需要一些评论。这些材料在传感器制造中一次又一次地浮出水面。它们的使用需要了解其初始特性、延长寿命特性以及处理和混合的注意事项。典型的PRT传感器装配图如图4所示。

图4.典型的基于PRT的压力传感器的横截面图。

芯片粘接环氧树脂有多种品种和成分。通常用于PRT传感器安装的粘合剂包括软安装橡胶基粘合剂，氰基丙烯酸酯粘合剂（带导电银片填料或非导电SiO）2填料）、双组分环氧树脂混合物和有机硅基粘合剂。每种材料的独特特性解决了机械应力、温度、化学反应性（或惰性）、易于制造和成本等问题。所需的化学抗扰度取决于芯片粘接是暴露于周围环境及其污染物中，还是暴露于正在测量压力的介质中。不仅在操作过程中，而且在制造、储存、运输和下一级组装过程中也应考虑温度。通常，最关键的参数是芯片粘接材料对PRT元件施加的机械应力。

不仅关注芯片粘接、基板和PRT元件的不同温度系数，还关注许多有机硅和环氧基材料，它们根据温度表现出两种不同的机械性能之一。所讨论的材料在玻璃化转变温度Tg [3]下在这些特性之间发生转变。高于此温度的材料往往更硬，（可能）热膨胀系数降低。在它下面，它们往往更柔软、更柔软。

该特性通常表现为偏移或灵敏度与温度测量中的弓形或曲率（图 5）。当生成从最低温度到最高温度的温度阶跃曲线时，这一点变得很明显。由于曲率中的任何扭结或拐点都表示材料属性的变化，因此实际上必须使用两种不同的材料进行设计。似乎这还不够，两组分环氧树脂的Tg取决于混合的两部分的比例。因此，最终设计的材料属性是两部分测量和混合过程的函数。

图5.灵敏度会随着材料通过玻璃化转变阶段（Tg）而变化。

传感元件和集成电路的保护涂层具有与上述芯片粘接材料相同的特性，但效果不同。与传感膜片接触的保护涂层会导致施加压力时的滞后、温度滞后、灵敏度和随温度的偏移变化（高于和低于Tg）、输出随时间漂移以及输出蠕变。

硅具有出色的机械性能，可用于制造可靠且可重复的传感器，但芯片粘接材料和保护涂层的引入会降低传感器的性能。为了抵消这种影响，您应该知道如何通过混合比例的变化、老化的影响、固化前暴露在空气中、固化时间和温度等来改变材料在制造过程中。一旦进入原型，所选材料可能与生产的百万分之一传感器中使用的材料不同。

一些简单的提示可以使传感器设计的电子部分更加稳健。通常，PRT 传感元件安装在基板上，基板又安装在外壳或传感器主体上（图 6）。外壳内的管道将流体介质引导至PRT元件的活动部分。基板包含信号调理IC（在本例中显示为芯片）和几个分立的电气元件。它还提供到连接器的电气路径，以接收电源并访问输出信号。该连接器通常为 3 线式，承载被测压力的电压模拟。基本电路布局原理可为给定的原理图设计提供最佳性能：

保持IC和PRT之间的电气接线连接 感应元件尽可能短。

不要将传感元件的印刷布线走线与 其他，尤其是数字时钟走线和模拟输出迹线。

保持0.1μF（或推荐值）的去耦电容尽可能接近 尽可能使用最少的印刷布线互连。

用接地层填充所有剩余的印刷布线表面。

将 ESD/EMI 电容器放置在尽可能靠近连接器引脚的位置。

如果电路浮动在与印刷布线电路电连接的导电外壳内，请使用电阻路径将外壳连接到电路接地。

对于所有IC，将未使用的输入连接到VDD或 GND（视情况而定），直接或通过电阻器。

使用低阻抗电阻器和电容器缓冲电源输入，尽可能靠近连接器。如果可能，将此滤波电容与ESD/EMI电容结合使用。

保护IC和检测元件的钝化层。IC钝化的任何妥协都是废弃组件的理由。

如果可能，请使用导电芯片粘接材料将 IC 安装焊盘接地。

如果可能，将传感元件与外壳或压力端口电绝缘。

图6.典型的压力传感器组件。

如果您愿意花时间，调试模拟传感器电路是一门易于理解的艺术。大多数传感器异常都可以快速解决：

检查电源。

检查时钟。

检查内存。

检查测试设备的参考位置和接地位置。

通常，明显的传感器异常实际上是在恶劣环境中运行的良好传感器。为了确定问题出在传感器本身，您可以通过检查和仔细检查传感器的电路调试程序来节省数小时的时间和挫败感，可以在

《模拟电路故障排除》

一书中找到[4]。

在调试一个有故障的传感器（例如线路的尘埃）时，您可以确信数千个据称相同的单元工作得很好。因此，当每个组件都连接并正常运行时，您可以确保设备也能正常工作。在调试首次原型时，缺乏这种保证，其中从未生产或证明过类似的电路。因此，挑战在于注意手头的传感器与其数千个前代传感器有何不同。

传感器的可重复性就是一切。再多的电子设备也无法校正对温度和压力响应不可预测的传感器。揭示传感器不可重复性原因的几个技巧已经一次又一次地被证明。但是，您必须决定哪些适用于您的传感器组件：

慢温度阶跃循环

高温浸泡

高温浸泡、压力滞后检查

电源抑制测试 在整个温度范围内

通过从最低极端到最高极端的小增量步进温度，慢温度步进循环测量失调和跨度随温度的变化。大多数传感器在+25°C下进行测试，然后在-40°C下测试，然后在+125°C（或+85°C）下进行测试，然后再次在+25°C下进行测试。 此过程称为三温测试，假设传感器在中间温度点表现出平滑和连续的行为。

但两者之间到底发生了什么？在任何好的传感器上尝试此测试：以 15°C 为增量将温度从室温循环到冷、热、冷、热，然后回到室温，测量每个级别的传感器响应。如果传感器的额定温度为-40°C至+125°C，请尝试超出这些限制的温度循环，例如-55°C至+150°C。 偏移和跨度在每个周期上是否遵循相同的曲线，还是每个周期产生不同的曲线？该测试超出了传感器的指定工作范围，但很高兴知道在该范围之外不会发生突然的灾难性故障。

在可靠性方面，传感器输出在极端情况下的行为与故障一样有趣。曲线是否在接近或刚刚超过工作温度限制时表现出明显的拐点？什么材料或电学性质已经改变或成为主导因素导致这种拐点？拐点通常在正常工作范围内开始，表明聚合物材料通过前面描述的玻璃化转变温度进入玻璃相。在原始设计中是否考虑了替代属性（温度系数、杨氏模量等）？当设备从玻璃相中出来时，它是否恢复到原来的应力水平和/或位置？否则，输出中可能存在温度迟滞。

高温浸泡测试检查材料的稳定性。从 25°C 开始，验证传感器的运行情况，然后监控传感器输出，同时将温度快速运行到最高工作水平或更高。在保持高温的同时记录几个小时的输出。在此保持时间内的输出变化表明，当组件在高温下达到平衡时，传感器上的热梯度会导致输出方差（不太有趣），或者材料蠕变（更有趣），当材料通过放松或移动到应力较小的状态来响应应力时，就会发生这种变化。

哪种材料在蠕变？检查塑料和聚合物。要确定哪个是罪魁祸首，请使用不同的材料（例如保护涂层）构建传感器，使用或多或少的相同材料或缺少可疑材料的传感器。然后，在修改后的单元和（理想情况下）控制单元上重新运行测试，以查看属性是否更改。

带有压力滞后检查的高温浸泡测试与上述类似，但它在循环压力从最小到最大时监控输出，而不是随着时间的推移监测输出。压力输出信号是否每次都遵循相同的曲线？如果没有，某些材料可能会由于施加的压力而松弛或蠕动。作为最终测试，将压力设置为最大并保持稳定，同时将设备恢复到室温（或更低），然后将压力降低到零。输出是否立即稳定为零值？是否需要几个小时或几天才能返回到测试开始时记录的零值？如果是这样，请检查聚合物材料。此外，考虑任何机械组件，其中两种不同的材料相互接触，导致摩擦滑动条件。

对于电源抑制随温度变化的测试，只需在几种不同温度下从最小值循环到最大值即可。最高、最低和室温通常就足够了。在每个温度下，电源电压变化引起的输出变化是否相同？输出在热或冷时是否明显更嘈杂（或更安静）？IC在不同温度下具有不同的电源抑制特性，但外部电容器（单片、钽、电解）对这些特性的基值有显著影响。电路设计应通过分析最坏情况的影响（例如元件值随温度的变化）来考虑这些因素。

该测试提供了探索电路特性的机会，例如低压工作点和启动复位操作。在每个温度下，缓慢降低电源电压，直到传感器停止工作。当它停止工作时，将电压拨回其正常工作范围，并查看电路是否恢复并开始工作。此过程测试设计对电源异常随温度变化的鲁棒性。另一方面，不建议检查高压工作能力，因为该测试通常是让IC冒烟的可靠方法。

关于可靠传感器生产的最后一点涉及变化，这可以说是大批量汽车制造的主要问题。由于变化通常会带来麻烦，因此大多数从事该行业多年的汽车制造工程师都感到恐惧和恐惧。看似微不足道的小变化可能会使车身和装配厂每天耗资数百万美元的运营停滞不前。为了说明这种效应，数学家Benoit Mandlebrot提出，中国一只蝴蝶的翅膀引入的扰动可能会在半个地球引起飓风。

请务必为制造、材料或组件的任何建议更改创建验证计划。核查计划概述了为证明没有不利影响而进行的测试。它应该复制所有下游车辆组装和测试操作，以及车辆道路测试。

许多变更决策的共同点是降低成本。当为了节省成本而改变时，在没有完全理解或验证后果的情况下，结果可能是一场灾难。没有什么能比得上精心设计的产品的性价比（这意味着它代表了对材料和工艺的具有成本效益的选择和评估），并且在定义明确的制造工艺中以高产量运行。对于降低成本的战略家来说，最好的建议是专注于下一代设计，而不要管现有产品。