ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
УДК 621.3.049.77:629.113/.115
МИКРОСИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ1
И. Марек, д-р (ФРГ)
Интеграция микроэлектронных и микромеханических устройств в единое целое — микросистемную технологию — быстро завоевывает популярность в автомобилестроении. Исследования рынка показывают, что насыщенность автомобилей микроэлектроникой и микросистемами увеличивается в нарастающей степени. Основными движущими силами этого роста являются экологические требования, безопасность и комфорт. Микросистемная технология вносит здесь свой вклад благодаря уменьшению стоимости, массы и размеров, а также повышению надежности и расширению функциональных возможностей. В статье подробно рассматриваются системы датчиков для измерения давления во впускных трубопроводах, массового расхода, ускорения для антиблокировочных систем и пневмоподушек безопасности, угловой скорости. В 90-х гг. появляется новая технология поверхностной микрообработки.
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия количество электроники в автомобилях неуклонно возрастает. По оценке исследования, проведенного Economist Intelligence Unit, стоимость среднего набора электронных устройств автомобиля в 1980 г. составляла 300 долл. США, в 1990 г. она выросла до 1200 долл., а на 2000 г. оценивалась в 2500 долл. [1]. К 2000 г. ежегодный рынок автомобильной электроники оценивается более чем в 100 млрд. долл.
Микросистемную технологию определяют как объединение микроэлектронных, микромеханических и микрооптических компонентов в одном устройстве. В соответствии с требованиями техники, микроэлектронные и микромеханические компоненты используются в автомобильных системах. Применение таких устройств в автомобилях отстает от их использования в промышленности и на потребительском рынке на 5-10 лет. Такая задержка объясняется большим температурным диапазоном: от ^40 до +85 или даже до +125 °С и требованиями высокой надежности. Использование микроэлектроники и микромеханики в электронных системах
1 Marek J. Microsystems for Automotive Applications // Proc. Eurosensors XIII. — Пленарный доклад на 13-й Европейской конференции по твердотельным датчикам. 12-15 сентября 1999 г., г. Гаага, Нидерланды. — Печатается с разрешения автора и организаторов Конференции.
автомобилей постоянно возрастает. С начала 90-х гг. применяется даже монолитная интеграция микросистем.
Ниже рассматриваются движущие силы развития автомобильных микросистем.
Экологические требования
В силу высокой степени автомобилизации в про-мышленно развитых странах и увеличивающейся — в развивающихся, атмосферные выбросы каждого автомобиля должны быть минимизированы. Процесс сгорания топлива как в карбюраторных, так и в дизельных двигателях оптимизируется с помощью цифровых электронных систем управления двигателем, регулирующих впрыск топлива. В последние годы возросло значение дополнительных требований к снижению выбросов двуокиси углерода в атмосферу. Таким требованиям отвечает лишь дизельные двигатели с прямым впрыском. Эти новые дизельные системы требуют более сложного электронного управления.
Безопасность
Покупатели в промышленно развитых странах требуют повышенных мер обеспечения безопасности своих автомобилей. Степень оснащенности машин антиблокировочными системами (АБС) и подушками безопасности быстро растет. Появление в 1995 г. Системы динамического управления транспортным средством (УЭС) еще более улучшило характеристики управляемости и безопасности машин.
Датчики и Системы • № 4.2001
59
Комфорт
Вначале комфортная электроника ограничивалась автомобильным радиоприемником. Затем появились кассетные деки и СП-плейеры. Сегодня к услугам потребителей широкий спектр систем: электронного управления скоростью, навигационных, электронных стеклоподъемников, позиционирования кресел, электронного регулирования климата в салоне и т. п.
Использование микросистем в области автомобильной электроники определяют следующие факторы.
• Снижение стоимости
Из-за высокой конкуренции в автомобильной промышленности этот фактор имеет приоритетное значение. Миниатюризация и серийное производство снижают затраты на выпуск одного изделия даже несмотря на необходимость в крупных инвестициях. Интеграция функций датчика и электроники позволяет получить выигрыш в стоимости. Из-за высокой стоимости разработок окупаемость интегрированных систем может быть достигнута за счет их массового выпуска.
• Надежность
Интеграция и миниатюризация уменьшают число интерфейсов и соединений. Межсоединения — слабое место в жестких автомобильных требованиях в части параметров окружающей среды. Поэтому микросистемы позволяют выйти на более высокий уровень надежности.
• Масса и размеры
Благодаря миниатюризации можно снизить массу автомобиля, что приобретает все большее значение. Поскольку сложность электронных схем управления постоянно возрастает, уменьшение размеров и, соответственно, пространства, занимаемого печатными платами, является важным достоинством.
• Функции
Результатом развития микроэлектроники и интеграции является расширение функциональных возможностей новых систем: самотестирование, повышение точности, выявление коротких замыканий и взаимосвязей и т. д.
Ниже будет дан обзор различных микросистем, применяемых в автомобильной промышленности. Будут рассмотрены современные тенденции развития устройств и технология их производства.
ПРИМЕНЕНИЯ
Датчики давления
На рис. 1 схематически изображено поперечное сечение интегрированного датчика давления [2, 3]. Для производства схемы обработки на передней части пластины используется стандартная биполярная технология. В ходе биполярного процесса изготавливаются пье-зорезисторы и межсоединения для чувствительного элемента. Затем пластина полируется и на ее обратную сторону экспонируется структура полости. Для удаления кремния из этой части пластины используют анизотропное протравливание. Оно автоматически прекращается на границе раздела скрытого слоя, нанесенного в этой области в ходе биполярного процесса. Кремниевая пластина соединяется с пластиной из пирекса при помощи анодной сварки. Разность давлений на мембране приводит к механической деформации пластины. Результирующее механическое напряжение максимально в середине краев мембраны. В ходе биполярного процесса сюда наносятся пьезорезисторы.
Четыре пьезорезистора соединены в мост Уитстона. Выходной сигнал моста (без усиления) составляет око-
Эпитаксия ь«- Пьезорезисторы Схема обработки Мембрана
^^ 1 - г
| -
Кремниевая подложка(р) Полость
Пирекс Металлизация
Рис. 1. Схема поперечного сечения интегрированного датчика давления
Рис. 2. Фотография микросхемы интегрального датчика давления
ло 100 мВ. Схема обработки и подстройки, а также мембрана датчика показаны на фотографии чипа (рис. 2).
Схема обработки усиливает сигнал до унифицированного выходного напряжения 5 В. Требования по точности к датчикам давления воздуха в трубопроводе (ДВТ-датчики) — порядка 1%. Производственные допуски по чувствительности, смещению, а также по температурным коэффициентам должны быть скомпенсированы. Компенсирующие значения сохраняются в чипе при помощи тиристорного замыкания (аналогичного зинеровскому).
В случае ДВТ-датчиков чувствительный элемент припаивают к головке типа Т08 (рис. 3). Чип соединяют проводами с контактными штырьками. Колпачок головки приваривают в условиях вакуума. Эталонный вакуум датчика имеет место под колпачком. Измеряемое давление подводится по маленькой трубке к обратной стороне чипа. Этот сложный метод сборки приходится использовать в силу высоких требований к условиям работы ДВТ-датчиков.
60 _ Sensors & Systems • № 4.2001_
Температурный профиль
Направление потока
Мембрана О
Без потои воздуха При потоке воздуха
Чувствительный элемент
Листовой металл Оценивание разности температур дТ = Т2 - Т]
=» Характеристич, кривая, зависящая от направления потока
Рис. 3. Интегральный датчик давление впуска воздуха
pone датчики массового расхода воздуха получили широкое распространение.
Рис. 5 иллюстрирует принцип действия микромеханического датчика расхода воздуха. Тонкая мембрана протравлена из кремниевой пластины для обеспечения хорошей тепловой изоляции чувствительных элементов. В середине мембраны помещен нагревательный элемент. Ток нагрева увеличивает температуру в середине мембраны. При отсутствии потока воздуха температурный профиль симметричен по обе стороны от нагревательного элемента. Слева и справа от него расположены два датчика температуры. Поток воздуха слева уменьшает температуру с этой стороны мембраны; в результате температурный датчик Т1 обнаруживает более низкую температуру. Перепад температур между левым и правым датчиками является непосредственным показателем расхода воздуха через чип. Теплоемкость устройства очень мала. Датчик обладает малой инерционностью; он позволяет обнаружить даже пульсацию воздуха в трубе.
Микросхема датчика присоединена к металлической рамке. ИС обработки сигнала расположена на маленькой гибридной схеме (рис. 6). Чип датчика соединен проводами с этой схемой обработки. Благодаря низкому энергопотреблению усилители мощности не требуются.
Акселерометры
Технология поверхностной микрообработки применяется для построения датчиков ускорения. В отличие от объемной микрообработки, поверхностная использует
Рис. 4. Интегральный барометрический датчик давления в SMD-корпусе
Интегральный чип для измерения давления можно модифицировать для различных применений. Для измерения барометрического давления в системах управления дизельными и карбюраторными двигателями чип монтируется на керамической подложке. В этом случае пластина из пирекса не имеет отверстия с обратной стороны. Эталонный вакуум создается между чипом датчика и пирексом. Устройство может быть припаяно непосредственно к печатной плате с помощью метода поверхностного монтажа. Пластиковый колпачок используют для защиты от механических воздействий (рис. 4). При использовании внутри электронного блока управления тр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.