应用在汽车领域的单芯片压力传感器

       通过将硅微加工设计技术和领先的混合信号CMOS电路处理技术集成到一起的方法解决了单芯片传感器早期发展存在的诸多问题。结果是人们研制出了配有放大器和校准输出的高性能单芯片压阻式压力传感器。
       汽车行业对那些监测多路绝对压力（ManifoldAbsolutePressure）和轮胎压力的小型，强大以及精确传感器系统的需求正变得越来越大，这是无容置疑的。而本文所描述的高性能单芯片传感器则是一个将传感元件、信号处理以及封装合并而成的附带放大器和校准输出的高性能单芯片器件。
      背景
       压阻式压力传感器需要信号调理电路（signal-conditioningcircuitry）来实现与其他电子控制系统的可互换（interchangeability）和兼容。由于每个传感元件都具有自己的特色，且同时受压力和温度的影响，因此信号调理电路需要大量的修正系数（correctioncoefficients）。这里面包括偏移的校准、全刻度（full-scale）的调整以使单元间电力的互换、提供偏移和全刻度所需的温度补偿。另外，线性校准、诊断和过滤功能在某些时候也是必要的。
       将信号调理电路和传感元件结合起来的传统方式只是技术和商业上的折中结果，换句话说，这是产品成本和性能之间的权衡。而单片机集成电路虽然降低了成本和尺寸。但在整合信号调理电路和传感元件方面仍存在制作工艺上的限制。混合技术（Hybridtechniques）则采用专用的ASIC或分立电路的方式。尽管相比单片电路器件这种技术拥有诸多好处，具有更好的弹性来适应简单元件更换的设计要求，但这种混合技术制作的产品在尺寸和成本方面往往显得过大，另外还需要额外的装配工序来加强可靠性。而双芯片（Two-chip）解决方案的出现则为汽车制造商们解决温度补偿和线性纠正难题提供了第三条佳径。
       一种共集成（Co-Integrated）技术
      制作共集成的压力传感器。是MEMS传感器设计师和混合信号IC设计师合作的结晶，该产品是基于0.65mB混合信号CMOS工艺。芯片尺寸为10mm2..。这款电路除了能提供为偏移量和灵敏度校准功能外，还可以进行多阶温度补偿和错误校正，并且还可以将校准系数存储在EEPROM。
  该制造工艺流程的设计允许所有标准CMOS步骤均可出现在装配工艺前段。微机械加工步骤--在玻璃底板上刻蚀出压力敏感掩膜，阳极焊点，形成绝对压力结构，硅刻蚀工艺不停地在测深、划片和检查--在电路完成后重复执行。标准的P型注入传感元件无须进行各种工序来合并形成一个特殊额外注入层。最后的管芯就可以直接提供给管芯消费用户或下游封装厂商。
       封装方式是采用一种16个引脚SOIC腔封装模式重叠注塑（overmolding）而成。而完成封装的一个途径是采用一种专利的使用喷射模塑成型技术（injection molding）。这种技术可以将传感芯片的横隔（diaphragm）膜区域爆光。任何来自管芯附加装置、金属焊点或者成型过程中产生的压力都将在最后一道封装工序内通过设定整齐的参数来补偿。
结果是为其他构造作基础的高性能部分，包括洞的填补凝胶。各种各样的端口可能也要到包装上焊接。
       电子学该电路包括信号调节和校准的所有功能，如针对压力和温度系数的前置放大，偏移校正，跨度校 准，多阶温度补偿，以及多阶非线性校准。
通过集成一个基于DSP的修正引擎可以提供比双芯片单元更好的精度，例如，许多双芯片解决方案在接近室温的情况下拥有很好的精度，但随着温度的上升，甚至达到极限温度的时候，这些解决方案就暴露出许多故障，原因既在于电路的不完整，也在于极端情况下传感元件的高阶非线性效应。通过使用共集成的传感器，错误曲线就能在整个工作温度范围内保持一致。
       该系统通过一个配有8×超采样技术的11-bitA/D模数转换器来实现14-bit的有效数据转换分辨率。这些数据接着通过车载DSP来进行处理，在那里由储存在可擦除只读存储器EEPROM中的标准系数来进行校对纠正。接着再将正确的信号输送到12-bitD/A数模转换器中，通过这些数模转换器来驱动输出放大器。放大器设计驱动>2nF，在汽车环境中被用于抑制EMF。
      校准
       能给每个传感器储存校准和补偿数值的候选技术包括：
       那些在器件测试后需要激光调整（laser-trim）的厚或薄膜电阻器(为完成温度补偿和校准所需)。
       电子调整，将补偿和校准值编入到芯片中，这当中既可以采用一次性的编程技术，如保险丝，齐纳压二级管（Zenerdiodes）或片上调整电阻器，也可以采用可重新编程技术，如可擦除只读存储器EEPROM。
       通过EEPROM和其他可重编程技术，校准系数可以在制造或装配后利用实时编程的方式多次编入器件当中，当然，这些系数都是在那些测试数据基础上获得的。另外，相比激光调整（laser-trim）技术，这一部分也可以在封装后被编程。
       对校准而言，传感器可以在多种温度和压力条件下被测量。那些来自模数转换器中未经校正的数据通过每个数据点上配备数字化I/O来读取。接着外部校准计算机来测定最小错误并将压力、温度以及它们的系数按顺序输入到EEPROM当中去。最后校准证实能依照要求测定准确
       在没有补偿的情况下，系数跨度随着温度的升高而改变的越来越大，相比之下，在提供补偿的情况下，系数跨度的变动接近于o。在补偿情况下的系统总错误<0.25%，包括初始零点和全刻度的gain-set错误。
        运算法则很适合对不同状态（variousorders）下的压力非线性进行轻易改正，也可以很方便地对那些gelling或其他媒介接口引起的温度相关压力非线性进行修正。
        经过编程后，EEPROM将作为一个完整模块被电子锁定，或者在系统装配完工后进行更深一步的调整。由于EEPROM在初始化程序后允许改变修正参数，因此这些修正值可以在测试过程中得到优化，或者在传感器封装进入系统的装配工序后再次修正（例如，可以输入串行信息或更好误差休正）。
      总结
      本文所涉及的新型单芯片压力传感器，是采用与0.65mmCMOS和MEMS技术相兼容的工艺流程来制造的。在同一芯片上集成所有的信号调节和压力传感功能（包括汽车工业所需要的温度和线形校正）。和混合架构相比，这种共集成（co-integrated）单元可以在缩减尺寸和成本的同时大幅改善性能。片上（Onchip）EEPROM储存校准和补偿值，测试结果表明器件性能比未补偿之前有戏剧性的改进。这种共集成（co-integrated）技术预计也将延伸应用到其他器件上，包括加速计，陀螺仪和其他种类的传感器上。

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