MEMS汽車壓力傳感器的標定算法研究

【摘" 要】壓力傳感器廣泛應用在工業自動化、汽車電子、醫療設備和消費電子等領域，在汽車中的發動機、空調和TPMS（汽車輪胎壓力監測系統）等零部件大量應用。標定過程是壓力傳感器關鍵工藝，標定過程中的保壓和溫控是該工藝的關鍵控制特性，為了確保傳感器完全達到設定溫度，標定過程需要很長的溫度穩定時間，也需要高精度的溫度和壓力控制，為生產帶來較大的困難，生產節拍難以提高，產量受到制約。新開發的壓力傳感器標定算法，將有效減少高精度壓力和溫度控制設備，避免昂貴設備投資，并且降低生產時間，提高生產率。文章以TPMS為例，介紹新標定設計方案，其他壓力檢測產品也可以借鑒。

【關鍵詞】MEMS；TPMS；惠斯通電橋；多路復用

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0073-04

Research on Calibration Algorithm of MEMS Automotive Pressure Sensor

【Abstract】Pressure sensors are widely used in industrial automation，automotive electronics，medical equipment and consumer electronics and other fields，in the automotive engine，air conditioning and TPMS（automotive tire pressure monitoring system）and other parts are widely used. The calibration process is the key process of pressure sensor，and the pressure holding and temperature control in the calibration process are the key control characteristics of the process. In order to ensure that the sensor fully reaches the set temperature，the calibration process requires a long temperature stability time，and also requires high-precision temperature and pressure control，which brings greater difficulties to the production，and the production beat is difficult to improve，and the output is restricted. The newly developed pressure sensor calibration algorithm will effectively reduce high-precision pressure and temperature control equipment，avoid expensive equipment investment，and reduce production time and improve productivity. This paper will take TPMS as an example to introduce the new calibration design scheme，and other pressure detection products can also be used for reference.

【Key words】MEMS；TPMS；wheatstone bridge；multiplexing

0" 引言

根據已統計數據，2023年全球壓力傳感器市場銷售額達到了106.26億美元，預計2030年將達到141.47億美元，年復合增長率（CAGR）為4.14%（2024—2030）。中國市場在過去幾年變化較快，2023年市場規模為20.52億美元，約占全球的19.31%，預計2030年將達到31.02億美元，屆時全球占比將達到21.93%。市場前景雖然廣闊，但也面臨著諸多挑戰。首先，市場競爭激烈，廠商需要不斷提升產品品質和技術水平，提升生產效率，以贏得市場份額。壓力傳感器核心廠商主要包括Bosch、Denso、Sensata、Amphenol和NXP等。

每個壓力傳感器出廠前都需要進行壓力溫區標定，將輸出電壓值、實際氣壓值準確對應。不同的壓力傳感器應用，對壓力測量量程與精度要求有所不同，比如對于乘用車應用TPMS產品，在450kPa（絕壓）的量程范圍內，只需要滿足10kPa的精度要求。對于實現不同零部件產品功能，可以采用不同的標定方法，更密集的數值擬合，可以獲得更高的精度。本文將介紹如何將MEMS壓力傳感器應用到TPMS零部件產品中。

1" TPMS傳感器應用基本介紹

1.1" TPMS傳感器的組成結構

該TPMS傳感器主要包括MEMS壓力傳感器、微控制器、射頻電路和電源4個部分，圖1為內部模塊圖。

壓力測量工作原理如下。MCU作為微處理器，將MEMS壓力傳感器輸出的電壓值進行A/D采樣轉換為數字信號，計算出環境的氣壓值，將數據調制到高頻（一般為433.92MHz）發射出去。接收端收到數據后進行處理分析，判斷是否輸出報警信息給用戶。當然，TPMS傳感器還包含有溫度傳感器、振動傳感器以及低頻感應模塊等，壓力是主要指標，需重點關注。

1.2" MEMS傳感器原理介紹

MEMS傳感器具有體積小、精度高、成本低、可批量制造的優點。

MEMS傳感器原理如下。MEMS壓力傳感器采用可擴散硅，將壓敏電阻擴散在硅薄膜上，當受到壓力時，薄膜發生變形，于是電阻隨壓力的變化，阻值產生變化。通過測量阻值，就可以確定外界壓力的大小。MEMS傳感器的結構示意圖如圖2所示。

在可擴散硅上，將所擴散的壓敏電阻連接成惠斯通電橋，給橋組提供電壓進行分壓，并提取另外兩端的電壓進行測量，如圖3所示。當有壓力作用在硅片橋組上時，由于產生形變，引起壓敏電阻阻值的變化、電橋失衡、電壓變化，該失衡量與被測壓力形成一定比例，由此可以反映壓力數值的大小。MEMS傳感器參數見表1。

2" 標定設計原理

在惠斯通電橋上施加一定的電壓，施加外界的壓力與輸出端的橋壓（電壓）值呈線性變化，通過采樣橋壓值，按照確定的計算方法可得環境氣壓。但是不同的DIE存在個體的差異，對于相同的氣壓，每個芯片輸出的橋壓值也不一致。雖然外界壓力于橋壓呈線性變化，但是也不能直接獲得準確的環境壓力。所以，為計算出準確的環境壓力值，需要進行標定，確定零位參數，再根據測量橋壓進行比例計算即可得到環境壓力。影響橋壓值的因素，除了環境壓力還有溫度。

溫度作為橋壓值的主要影響參數，在相同的氣壓、不同的溫度，惠斯通電橋輸出的橋壓值也不一致。所以，標定的意義，不但要計算出氣壓與橋壓的比例關系，還要計算出溫度造成的影響。

2.1" 一般標定流程

目前行業里，主流采用的是MAXIM和ZMD公司解決方案，提供標定檢測芯片，芯片內固化標定軟件，連接惠斯通電橋，將橋壓處理放大。另外，該芯片內還具有溫度傳感器，經過溫度與壓力的標定后，換算出標定參數，并將參數寫入該芯片EEPROM內。以后產品所測量的數據都會通過標定參數的校準后輸出相應的電壓值以表示目前測量氣壓的真實值。

對于TPMS傳感器，也采用該解決方案，產品的工作溫度范圍為-40～125℃，采用9點標定法，即選擇3個溫度點、3個壓力點進行標定。3個溫度點分別為-40℃、25℃、125℃；3個壓力點為0kPa（表壓）、1.5kPa、3.5kPa，標定過程所控制的壓力精度直接關系到產品的測量精度，所以該控制壓力精度要求較高，希望控制在2kPa以下。主要標定設備為Mensor高精度氣壓控制器、氣壓罐和高低溫箱。標定步驟為以下。

1）將待標定的產品放入氣壓罐內。

2）首先在室溫下，分別將氣壓控制到0kPa、1.5kPa、3.5kPa，將測量出來的橋壓保存。

3）將溫度降低到-40℃，為確保芯片內溫度穩定到低溫點，需要高低溫箱到達指定溫度后，保持3h以上，確保芯片內部溫度穩定。由于傳感器芯片進行了封裝，溫度傳導緩慢，內部溫度變化緩慢。由于溫度傳感器與壓力傳感器并未封裝在一起，所以二者溫度變化也不會一致。為避免壓力傳感器的溫度與溫度傳感器的溫度不一致，需要保持較長時間。

4）將溫度上升到125℃后，保持3h，讀取3個壓力點橋壓值保存。從標定參數中可以得到3個氣壓下溫度對橋壓的斜率，通過線性關系可以計算任何氣壓下溫度對橋壓的斜率。因此，在產品應用過程中，得到溫度和橋壓參數，即可計算出對應氣壓。

產品開發中，選擇一款帶有溫度傳感器的MCU，可以測量環境溫度用于校準測量的環境壓力。但由于標定過程的溫度變化，壓敏電橋的保護硅凝膠導熱緩慢，致使需要較長時間的保溫過程，才能確保電橋的溫度穩定在設置的標定溫度。

這種標定方法的最大問題在于工藝性差，如果生產一只發射器產品，其標定時間（包括傳感器放置到壓力罐并螺母鎖緊，降溫、升溫、溫度保持）將超過8h，該標定方法難以實現產業化。

2.2" 新型標定方法

新型標定方法旨在實現流水線快速大批量標定的要求。TPMS產品，不僅是檢測環境壓力，同時需要做大量的邏輯運算，包括高低壓報警、氣壓變換報警、信號編碼與傳輸、低功耗喚醒和狀態轉換等。選擇一款小型內置溫度傳感器的MCU。

在對同一個Wafer的不同傳感器芯片進行參數分析時，發現同一個Wafer中，其芯片的一些參數具有相似特性，如果將這些相似的參數進行整合，便可以設計出一種算法，通過常壓常溫下單點標定，以達到流水線生產的目的。在理論研究的基礎上重新規劃標定算法，分成樣本標定與產品標定兩部分。對于一片Wafer的DIE（裸片，一個Wafer包括6～7千只傳感器DIE），具有接近的特性參數，特點是在確定氣壓下，溫度對橋壓具有近似線性關系，其斜率基本相同。如圖4所示，在同一個Wafer采集大量的裸片進行驗證測試，并且在不同Wafer進行重復驗證。在同一個環境壓力下，輸出的橋壓與溫度成反比例關系，斜率幾近相同。

通過隨機抽取若干樣本進行一般標定方法標定，確定整個Wafer的芯片特性曲線參數，一般標定的時間較長，但是因為樣本數量不多，可以取100只左右求數學期望，采用多路復用標定方法，一次完成標定，8h即可。

2.2.1" 樣本標定

通過多路復用的并行標定，另一方面，擴大壓力罐的容積，依次進行多個發射器的標定，設計上采用多路復用的方法。但是，壓力罐無法做到一點氣不漏，當壓力罐的容積增加后，Mensor高精度壓力控制器難度也會增加，容積越大，為達到高精度，Mensor需要為壓力罐補氣放氣進行控制所需的氣量也越大，就越難控制，同時增加了壓力穩定的時間。在進行多次的試驗后，設計一款緊湊型容器，可容納64個待標定傳感器，減小內部空氣所占空間，可實現并行2個壓力罐，完成一次性標定的發射器為128個。

整個壓力罐采用不銹鋼加厚外殼，針對該方案設計測試壓力罐及接口控制陣列，如圖5所示。

圖6是標定控制器的原理框圖。一方面，PC機將采樣數據處理后傳給產品端保存，另一方面進入數據庫保存可作為產品追溯。K線轉接板是進行通信電平的轉換，提高通信數據的抗干擾性和傳輸距離，采集板實現多路復用的功能，分別對128只產品進行電路切換采樣，并將數據傳給PC。

在PC電腦端設計一款應用程序，用于控制和記錄標定過程，設置后無需人員看管，自動完成整個標定過程，標定數據形成數據庫表格保存到服務器。上位機標定應用界面如圖7所示。

PC端通過RS232串口，將控制信息發送給標定控制板，采集板多路復用標定，當傳感器檢測到BD低電平，則使能SCI通信功能，標定包括3個點的溫度氣壓標定；生成燒錄ID（只690用）；讀出ID并與最終標定參數綁定。所需設備：PC機、標定控制板（可控制128路）。標定通信傳輸如圖8所示。

樣本標定完成后，得出128只產品的參數，算取平均溫度-橋壓斜率。

2.2.2" 產品標定

當半成品完成元器件貼片焊接后，便可進入圖9的產品標定流程。

樣本標定的溫度-橋壓斜率作為整個Wafer的芯片斜率，那么只要對單個芯片進行1個溫度點（常溫），最低（常壓）和最高（350kPa）2個壓力點的標定，將標定參數存入產品存儲器內，通過氣壓量程內等比例線性關系，當產品采樣到溫度和橋壓值后，便可以換算出準確的氣壓值。溫度點可以任意選取，最方便的是室溫點，因為傳感器已經常溫下長時間放置，無需升溫或者降溫過程，無需溫度穩定過程。常壓下標定可以直接讀取橋壓，只需進行一次350kPa的壓力施加進行標定。設計了一套快捷加壓裝置，直接通過一個氣嘴在產品的壓力檢測氣孔施加壓力，機械工裝探測到產品后，自動將氣嘴頂住產品氣孔，加壓到350kPa，穩定3～5s后讀取數據，在理想情況下，每只產品標定時間可以控制在10s內完成。那么一條流水線在8h內可以生產2800只，在較少的投入下，實現產品批量生產。

2.2.3" 產品主要性能指標及對比

表2是國外某傳感器知名品牌的測量參數表，該傳感器廣泛應用在汽車電子領域。

該技術參數顯示，在6δ品質因素下，在全溫區范圍內的壓力測量誤差為：±8×1.37≈±11kPa。

根據新標定方法，生產一批產品，從中隨機挑選200樣品進行復查：經過對比，精度最大誤差lt;10kPa，滿足產品所要求水平。

3" 結束語

該算法已經順利導入實際量產項目，在滿足產品性能參數的基礎上，有效提升了產品單件流的節拍和生產周期，大幅度降低產線設備投資，降低制造成本。

參考文獻

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