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压力传感器介绍

发布日期:2020-10-18 05:14

  压力传感器介绍_材料科学_工程科技_专业资料。厚积薄发 (关于自主传感器项目管理的介绍) 厚积薄发 题目 一. 厚积1:压力传感器技术的成熟 二. 厚积2:系统设计及产品工艺趋于稳定 三. 厚积3:TPMS芯片应用设计的积累 四. 薄发目标

  厚积薄发 (关于自主传感器项目管理的介绍) 厚积薄发 题目 一. 厚积1:压力传感器技术的成熟 二. 厚积2:系统设计及产品工艺趋于稳定 三. 厚积3:TPMS芯片应用设计的积累 四. 薄发目标:提高TPMS产品的战略竞争优 势 五. 薄发策略:分块积累,平行合作,垂直聚 合 六. 设计与实施 厚积1:压力传感器技术的成熟 三个重要阶段: 1.传感器的加工; 2.绑定; 3.封装。 1.传感器加工 制造完成的DIE尺寸1×1×0.6mm 敏感芯片制造常规流程 圆基片清洗 高温氧化 光刻电阻 离子注入 退火再扩散 光刻合金孔 溅射金属膜 光刻金属膜 合金 光刻硅杯 硅杯腐蚀 阳极键合 芯片终测 分割划片 芯片分捡 ? 2. 绑定 引线键合,将晶圆绑定到PCB板 焊接: 常温范围内,芯片电极与管座电极间的连接引线常用纯金丝或铝丝。引 线与电极的连接靠原子和分子的引力,工艺方式采用集成电路分立器件的最常用 的热压和超声焊接。 引线键合后靠两键合端面支撑悬浮在管座空腔中,键合质量: Surface ①接触电阻 性能稳定性、信噪比劣化 ②强度 脱焊、断裂 可靠性劣化 ③引线在管座的丝屑遗漏 绝缘劣化 品检:键合质量隐患大部分隐形的,外部变形形 状 的镜检效率低;强度检测方法是破坏性的,必要 时在首件检查中使用;超声显微扫描是功能与效 率高的现行在线、无损、非接触检查方法。 绑定丝尺寸 15-30um Si to Glass Interface 41 3. 封装 封装支撑工艺 敏感器件封装工艺是多门类技术和知识的混合集成。既涉及微电子、微机械的 现代学科,又包含机械、机电的传统专业。突出的技术特点是对微小尺度和量实现 精细和精准地控制,处理与利用好微观作用和边缘效应。 采用表压传感器,刚硬支撑固片 表压参考腔与环境气压导通,差压或负压芯片参考腔要 承载被测压力作用。若依然用胶进行软连接,胶的机械、热 学、化学性能的老化、劣化和蠕变,成为长期的可靠性和稳 定性存在隐患。 理想的固片工艺是实现芯片与金属支撑体刚硬连接,支 撑体再与金属管座熔焊连接。 技术参数 压力测量精度=SQR(线性度 +线性度 +线 /℃. FS,满足高于6%×10 4 /℃.FS量程的精度,对于700KPa,精度大于1kPa。可满足TPMS要求。 2 2 2 -4 - 晶圆 传感器芯片 已经量产的传感器主要产品 厚积2:系统设计及产品工艺趋于稳 定 二. TPMS系统设计及产品工艺趋于稳定 ? 研发时间:2002年开始研发TPMS产品 ? 经验积累:先后开发完成201系列,日产, 神龙,TESLA,奇瑞,众泰,北美替代件; 通过浙江众泰、北汽福田、泛亚路试 ? 现有开发项目:吉瑞,申龙,一汽夏利, 先锋,黄海,通用五菱,金龙,雅阁等 ? 夏利通过3次号试,长春、保定路试。 产品销量逐渐提升 产品实现系列化,按照功能及成本划分为高、中、低端;按照通信划分为CAN、KLine、Lin、RS232;按照工作模式划分为单向通信与双向通信;按照销售模式划分为 原配与售后加装。不同的划分组合形成不同种类产品。 试验 ? 试验项目趋于完善 产品功能测试 产品环境测试 形成企业标准,27项试验项目 群英 标准 项次 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 实验项目 使用设备 标准引用来源 实验样 品数量 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 报告格式 备注 发射机热冲击试验 发射机湿度持续试验 发射机湿度循环试验 发射机温度循环试验 发射机霜冻试验 发射机盐雾试验 温度冲击箱 温湿箱 温湿箱 高低温箱 高低温箱 盐雾箱 引用GM 5.5.5 引用GM 5.6.2 引用GM 5.6.1 引用SAE 4.1.2 SAE 4.1.6 引用SAE 4.1.11 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 发射机水防护试验 发射机低温持久工作试验 发射机低温待机状态试验 发射机高温持久工作试验 发射机高温待机状态试验 发射机过压测试试验 发射机挤压试验 发射机灰尘防护试验 发射机接触高温试验 发射机机械冲击试验 发射机跌落试验 高低温箱、水容器 高低温箱 高低温箱 高低温箱 高低温箱 压力罐 压力机 吹风机、密封箱 恒温箱 机械冲击台 跌落测试台 引用GM 5.8.2 引用SAE 4.2 引用GM 5.5.1 引用SAE 4.2 引用GM 5.5.2 引用SAE 4.1.7 引用GM 5.4.4 引用GM 5.8.1 引用克莱斯勒 4.10 引用SEA 4.1.13 引用SAE 4.1.12 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 4 PCS 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 群英自制格式 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 详见企业标准 部 分 试 验 设 备 工艺 ? 生产工艺趋于成熟 贴片生产线 自动组装线 传感器生产线流程图 温 度 压 力 电 压 自 动 检 测 4-制造方案 S M T 装 配 自 动 烧 程 机 器 人 自 动 焊 接 自 动 RF LF 检 测 老 化 老 化 后 测 试 灌 封 传感器生产线图片 SMT生产线-制造方案 发射机自动生产线图片 SMT生产线说明 ? 全自动 锡膏印刷 全自动 贴片 回流焊 4-制造方案 正式产品的焊接全部通过SMT自动生产线焊接,同时在SMT线末端通过AOI自动 识别系统来识别焊接的好坏。 AOI 1、自动控制上锡位 置和上锡量 2、锡膏厚度SPC 1、自动识别元器件 并贴到相应位置 1、自动控制焊接温 度和时间 2、温度曲线定期测 试并记录 进行焊接质量的检 测,能识别移位、 翘起、反向等不良 传感器自动生产线-制造方案 产品的电池焊接和检测均在自动生产线上完成。下面是老化前的发射机生产线: 装配 自动烧程 自动焊接 温度压力电 压自动检测 1.扭力定期测试并记录 2.扭力可调 3.扭力调整完毕后有保护 罩保护防止扭力变化 1、计算机控制自动烧程 2、烧程的状态主控机时 时监控 1、烧程未烧好自动推出 2、自动线、焊接时间和位置由 PLC控制。 2、焊接温度及出锡量由 可控烙铁控制。 3、自动产线、产线TPM 传感器自动生产线) ? 自动RF/LF 检测 4-制造方案 产品的各种检测均在自动生产线上完成。下面是老化前的发射机生产线 功率测试 老化 老化后测试 灌胶 频谱仪 1、机械手自动放置 2、微波暗箱屏蔽干扰 3、数据自动采集 4、产线、温度曲线、产线、点胶机自动控制点胶 时间和胶量。 2、PLC控制点胶位置 3、定期胶量测试并记录 传感器自动线-制造方案 从下面的例子中我们可以看到,不良在界面上被红色标出,同时在生产线上会被机械手推出 各工序和仪器连接测试 正常时亮绿灯 非正常亮红灯 发射机自动线主控界面 ? 所有的测试数据都可以直接输入主控电脑,所有的数据都可追溯。 申请专利及认证情况 专 利 情 况 外观型专利 15% 发明型专利 38% 专利情况 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 已申请专利 39个 实用新型专 利 47% 计划申请专 利 5个 1 2 FCC E-MARK CE 厚积3:TPMS芯片应用设计的积累 ? MCU芯片的应用 软硬件开发、半成品检验, ? RF芯片应用 芯片控制、调制、频率、功率、波特率、帧格式等 ? 软件算法及工作模式 低频唤醒策略、采样、压力变化处理、容错及校验 ? 功耗及使用年限 不同要求下,6年-10年的使用寿命设计 薄发目标:提高TPMS产品的战略竞 争优势 降低发射器成本,竞争关系走向国际化。 1.国外TPMS企业涉足中国市场;2.公司产品实现出口竞争实力; 国际上主导地位的TPMS芯片供应商: A. GE公司NPX系列 B. Infineon的SP系列 C. Freescale的80系列,目前没有推向市场 优点:直接应用,降低开发难度,减少批量生产复杂度,具有 较高的可靠性。 缺点:价格高,造成TPMS产品不具备竞争力。尤其是SP系 列产品,对亚太地区支持力度不够。供应商供货不稳定的影响, 公司战略受芯片市场影响大。 目标:TPMS发射器具有低成本优势(希望能 在现有基础上降低一 半),国际上具备竞争力 薄发策略:分块积累,平行合作, 垂直聚合 ? 新型TPMS设计 = 传感器技术 + TPMS系统技术 + TPMS 芯片技术 ? 面临的困难: (1)三种技术可靠结合 (2)元器件选型及成本控制 (3) 完善的产品功能 (4)MCU裸片的封装技术 (5)产品大规模标定技术 (6)其它:包括稳定性、均一性、可靠性保证 设计与实施 ? ? ? ? ? ? ? ? 精度检测要求 系统功能模块设计构思 发射器方案设计 元器件选型要求 气压采样原理 生产线工艺设计 设备及工装 目前状况及问题 ? .符合的精度 需满足下述要求: 在现有生产条件下,无需增加昂贵设备投入,能够实现量产。 具有良好的性能和稳定性,性能要求达到上述进口芯片。 低功耗设计,确保同类产品的一致性,满足目前6年的使用期限。 ? 发射器满足功能: ?系统功能模块设计构思 1. 气压检测,能够采集模拟信号,参数校准,可满足更高量程范围,更高的精度 2. 温度检测,检测范围可达-40~125℃ 3. LF检测,具备2 D以上的LF唤醒功能 发射器功能块组成示意图 4. 气压变化判断 5. 射频数据发射意 图功能块组成示意图 Temperature SensorSystem Control RF Transmitter Pressure Sensor Sensor Calibration Low Frequency Wake up Motion Sensor Power Management Battery ? 发射器方案设计: 满足功能所需硬件资源:LF、电压、处理器、定时器、中断、AD转换、足够I/O 等。 ? 元器件选型要求 元器件选型要求: 价格低、体积小、数量少、低功耗、宽温 选择一款高性价比的中央处理器 如何根据传感器原理实现产品化及工艺化要求。 扩 散 硅 压 力 传 感 器 工 作 原 理 压力检测输出特性---线性规律 ?该传感器用于TPMS的可行性: 利用正比例关系式,可以根据电压模拟信号计算出对应的气压值 所有部件的校准通过收集以下各点的数据: 1. 温度:-20℃,25℃ 和 80 ℃ 2. 压力:0, 50, 100% 满量程 3. 供电电压:3.0V Po = F1(Pm,Tm,Vm) Ao = F2(Am,Tm,Vm) To = F3(Tm,Vm) Vo = F4(Vm) 其中,Pm,Am,Vm,Tm为未校准测量值; Po,Ao,Vo,To为校准补偿后输出测量值 产品软件算法设计: 为获得校准参数,在0℃、25℃和80℃时,分别测多个量程的 Pm,Am,Tm,Vm,进行处理后获得校准参数,并且在-30℃和125℃验 证后证明有效,然后将该参数保存在EEPROM中,供MCU进行补偿运 算时调用。 该发射器设计方案通过可行性分析,产品成本可大幅度降低,气压量 程可更广泛,可靠性与稳定性需较长时间验证。 结构适用目前现有发射器外壳 ? 生产线. 软件烧录:使用PC机操作,进行人工烧录,人工判断烧录正确与否,所烧 录目标软件一致,所需设备:PC机,烧录工装(使用USB) 2. 气压标定过程:气压标定过程包括三个点的温度气压标定;中央处理芯片具有4 字节序列号,可作为发射器ID,读出ID并与最终标定参数绑定。所需设备:PC机, 标定控制板(128路)。 产品工艺化要求------产品批量标定的方案设计 12V input 多路切换 多路排线V LDO VCC GND 多路传 感器产 品 GND TX(多 路 并 联 ) RX(多 路 并 联 ) TX TX RX 半双工 232 RX(BD) 232 PC BD 电平转换芯片 GND LDO MCU 采集板 电平转接板 4个部分组成:(1)压力罐:放置批量的待标定发射器;(2)电平转接板: 用于电平信号转换,提高标定过程的抗干扰能力,保护产品电路;(3)采集 板:实现批量发射器产品多路切换标定,处理标定过程信息报文;(4)PC及 应用软件:实现人机标定操作及控制。 标定流程图 标定软件界面: 设备投入 ? mensor压力控制器 高低温湿箱,高压氮气罐 其它:PC电脑、氮气罐 1. 标定罐结构 设 计 图: 要点: 承压性能(能够承受高达20Bar的压力不漏气,承压电路板不变形。难点在于, 通信线束穿过标定罐而保持罐体不发生漏气;PCB板密布的焊接孔而不变形) 高温耐久性(长时间高温高压下可靠,不漏气,不易老化。难点在于密封胶 高温不变形) 紧凑型(尽可能压缩剩余空间,避免罐内气体容积过大,造成mensor无法控 制) 可操作性(方便性便于员工操作,防呆性避免操作失误,耐用性可长久使用) 标定罐的设计经过多次更改趋近完善 压力罐照片:圆柱形, 承压均匀,便于加工 压力罐内部结构:发射器排列布置 目前状况及问题: 工装样件,装车路试 测试情况: 10月份,通过吉瑞重卡3个月6万公里定远路试。按客户要求,该产品设计压力 测量量程,超过目前市面上的最大范围,达到16Bar。现阶段正准备第二次路试。 目前正解决的问题: 国内裸片封装技术达不到要求,封装片均一性有待提高,一部分芯片微电流控 制不达标,造成功耗增大。不良封装约15%,不合格封装片形成利润损失。 ?谢谢!

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