業界對於汽車製造商寄予厚望，期望他們能在最新車款中有效控制油耗水準，以進一步降低碳排放。這一趨勢帶動製造商對於先進控制系統的要求，並致力於設計出能利用感測器技術快速、準確收集詳盡壓力數據的系統。能源再生煞車系統、進氣/排氣管理和電子穩定控制系統、以及燃油傳送和防鎖煞車系統等先進功能的控制電路都必須利用先進的壓力感測器。
在目前的汽車設計中，已經有多種應用適合採用更高性能的壓力感測器，這些應用包括：
1. 引擎的燃油輸送系統
在直噴式引擎中需要更精確地監測燃油通道壓力，以往感測器技術的工作參數已經無法滿足這種需求。
2. 引擎進氣口管理系統
透過在進氣歧管處連接壓力感測器，可以測得空氣流速。由於現代引擎設計有較大量的廢氣不斷地被引回引擎中，對於壓力感測裝置有更嚴格的要求，因為它們必須在更嚴苛的環境下作業。
3. 車輛排氣系統
從車輛排出的廢氣中需要除去氮氧化物(NOx)和顆粒物，也要求使用更先進的壓力感測技術系統。一般產生微粒的都是柴油引擎，透過把一個過濾器連接到排氣管，顆粒物可被截留，壓力感測器適用於監測廢氣在通過過濾器時的壓力下降。透過分析此數據，可使引擎控制系統調整燃燒條件，因而能夠再生利用更多過濾器中的能源。透過採用廢氣再循環(EGR)機制可使NOx顯著下降。這些再循環機制使廢氣與新鮮空氣在引擎的進氣口處混合。在其他地方，選擇性催化還原(SCR)系統可使有機氮化合物與廢氣混合產生化學反應，把NOx轉換成無害的化學物質。先進的壓力感測器可用來控制被導入的化合物數量，也可以控制EGR流量。
4. 混合動力汽車的引擎管理系統
對於混合動力汽車中的啟動/停止系統，在處於停車狀態時引擎進氣口處的真空度正大幅度降低。引擎真空可被煞車輔助器用於協助煞車過程。因此，至關重要的是要精確測量輔助器內的真空度，以便在引擎真空度無法支援輔助器時啟動燃油輔助泵(auxiliary pump)開始工作。
傳統的壓力感測器元件具有較大的外形尺寸和相對較高的單位成本，這阻礙了其在包括電動、油電混合和內燃機汽車等越來越多汽車系統中的應用。在先前討論的應用中，許多汽車壓力檢測元件必須能夠在低於5巴(bar)的壓力下作業，這意味著，小型化的感測元件結構，配合成本最佳化的晶圓量產製造更適合於汽車應用。因此，MEMS感測器技術在汽車設計中變得越來越普遍。
MEMS在汽車壓力檢測的優勢
MEMS技術能與廣泛使用的CMOS製程相容， 採用MEMS技術使得建構高整合度的單片感測器成為可能。感測單元因而可放置在與協同訊號調節電路非常接近的地方。與以往不太先進、使用陶瓷/金屬基底的傳統感測器技術相較，這種高整合度在性能方面更具有顯著的優勢。對於傳統的感測器元件而言，訊號調節電路無法被整合在同一基底上，在感測元件和訊號調節電路之間存在一定空間，這使得傳統的感測器比MEMS感測器更容易受到電磁干擾(EMI)的影響。
市場對於更緊密、更高成本效益以及更高性能感測元件的需求，持續推動邁來芯(Melexis)公司對於壓電式MEMS技術進行的研發。該公司開發出能夠因應當代汽車設計挑戰的下一代感測器元件了。這些感測器元件的結構包括採用多個厚度為幾微米的微型薄膜，作為傳統CMOS製程的一部份蝕刻矽晶圓。在製造過程中，壓電電阻器在最高靈敏度時被注入該薄膜中，有效地形成一個惠斯頓電橋。當薄膜感測壓力作用時，產生偏轉。壓電電阻器把薄膜產生的應力轉換成電訊號，隨後經整合於半導體晶片上的訊號調節電路進行處理。
Melexis公司的MEMS壓力感測器產品目標定位於1巴壓力範圍內，可應用於範圍廣泛的汽車壓力感測任務。與市場上其它的整合式壓力感測器相較，邁來芯公司的MEMS壓力感測器整體封裝尺寸減少了約55%，但同時卻增加了額外的特性和功能。透過與一個低雜訊類比前端和一個高解析度數據轉換器結合使用，該MEMS感測元件已實現最高的性能。它還包括一個16位元微控制器用於感測元件的溫度補償，以及實現安全應用系統需要的診斷功能。32位元組的完全可程式EEPROM記憶體可被用來儲存感測器補償及配置設置等數據。
應用實例
這些MEMS壓力感測器的一個重要應用是實現最新的汽車煞車系統(參見圖1)。在車輛啟動-停止條件下，正如前面所述，準確監測煞車輔助器的真空水平至關重要，因為引擎進氣歧管的自然真空源在許多情況下已被一台燃油輔助泵所取代，該輔助泵必須啟動以產生所需的真空。輔助器產生的煞車力度與輔助器的真空等級成正比，透過使用一個相對的壓力感測器，可以監測輔助器的真空度，並用於確定是否需要啟動輔助泵。
圖1：Melexis公司MLX90809 MEMS壓力感測器
煞車輔助器的基本工作原理：當駕駛人用腳踩下煞車踏板時，煞車油被強制從煞車油壺(主汽缸)流經車輛的液壓系統，以便啟動煞車盤進入煞車器。煞車液壓的設計所遵循的原則是盡量減少啟動煞車盤進入煞車器所需的踏力。煞車踏板也被設計成能夠產生轉矩，以協助駕駛人的煞車需求。
然而，這些措施單獨作用時仍無法讓駕駛人為踏板施加一個合適的踏力來完成煞車。為了進一步協助駕駛人，必須在煞車踏板機構增加一個煞車輔助器。在駕駛人的腳接觸煞車踏板時，輔助器內產生真空，輔助器的一側與大氣壓力相通，而另一側仍然保持深真空水準。這樣所產生的力可被用來施加到煞車控制。需要採用輔助泵的煞車輔助器必須監測真空水準，此時先進的壓力感測經證明在新一代汽車煞車系統中扮演關鍵角色(如圖2和圖3)。
圖2：煞車輔助系統原理架構圖
圖3：在汽車煞車輔助系統中使用MEMS感測器技術
該輔助泵必須能夠及時啟動以產生所需的真空度。由輔助器施加的煞車力與輔助器中相對於大氣壓力的真空水準成正比。透過使用相對壓力感測器可以檢測輔助器中的真空度，該數據隨後可被用來確定是否需要啟動輔助泵。邁來芯公司的MLX90809是一款基於MEMS技術的高感應度、高準確度的壓力感測器，專門針對1巴真空範圍而最佳化，非常適合上述應用。此外，其強大的訊號完整性適用於資訊可靠性要求非常高的應用。
本文結論
隨著更多新型汽車壓力感測應用出現，傳統感測器元件已無法滿足需求。當汽車工業對於性能要求變得日益嚴苛，基於MEMS技術的壓力感測器也將繼續蓬勃發展。同時，隨著MEMS感測技術所能實現的性能基準提升以及更高層次的整合度，預計在未來幾年內，MEMS技術將在汽車壓力感測器市場佔據越來越重要的地位。
作者：Laurent Otte，Melexis公司壓力感測器產品行銷經理
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