應用在汽車領域的單芯片壓力傳感器
通過將硅微加工設計技術和領先的混合信號CMOS電路處理技術集成到一起的方法解決了單芯片傳感器早期發展存在的諸多問題。結果是人們研制出了配有放大器和校準輸出的高性能單芯片壓阻式壓力傳感器。
汽車行業對那些監測多路絕對壓力（ManifoldAbsolutePressure）和輪胎壓力的小型，強大以及精確傳感器系統的需求正變得越來越大，這是無容置疑的。而本文所描述的高性能單芯片傳感器則是一個將傳感元件、信號處理以及封裝合并而成的附帶放大器和校準輸出的高性能單芯片器件。
背景
壓阻式壓力傳感器需要信號調理電路（signal-conditioningcircuitry）來實現與其他電子控制系統的可互換（interchangeability）和兼容。由于每個傳感元件都具有自己的特色，且同時受壓力和溫度的影響，因此信號調理電路需要大量的修正系數（correctioncoefficients）。這里面包括偏移的校準、全刻度（full-scale）的調整以使單元間電力的互換、提供偏移和全刻度所需的溫度補償。另外，線性校準、診斷和過濾功能在某些時候也是必要的。
將信號調理電路和傳感元件結合起來的傳統方式只是技術和商業上的折中結果，換句話說，這是產品成本和性能之間的權衡。而單片機集成電路雖然降低了成本和尺寸。但在整合信號調理電路和傳感元件方面仍存在制作工藝上的限制。混合技術（Hybridtechniques）則采用專用的ASIC或分立電路的方式。盡管相比單片電路器件這種技術擁有諸多好處，具有更好的彈性來適應簡單元件更換的設計要求，但這種混合技術制作的產品在尺寸和成本方面往往顯得過大，另外還需要額外的裝配工序來加強可靠性。而雙芯片（Two-chip）解決方案的出現則為汽車制造商們解決溫度補償和線性糾正難題提供了第三條佳徑。
一種共集成（Co-Integrated）技術
制作共集成的壓力傳感器。是MEMS傳感器設計師和混合信號IC設計師合作的結晶，該產品是基于0.65mB混合信號CMOS工藝。芯片尺寸為10mm2..。這款電路除了能提供為偏移量和靈敏度校準功能外，還可以進行多階溫度補償和錯誤校正，并且還可以將校準系數存儲在EEPROM。
該制造工藝流程的設計允許所有標準CMOS步驟均可出現在裝配工藝前段。微機械加工步驟--在玻璃底板上刻蝕出壓力敏感掩膜，陽極焊點，形成絕對壓力結構，硅刻蝕工藝不停地在測深、劃片和檢查--在電路完成后重復執行。標準的P型注入傳感元件無須進行各種工序來合并形成一個特殊額外注入層。最后的管芯就可以直接提供給管芯消費用戶或下游封裝廠商。
封裝方式是采用一種16個引腳SOIC腔封裝模式重疊注塑（overmolding）而成。而完成封裝的一個途徑是采用一種專利的使用噴射模塑成型技術（injection molding）。這種技術可以將傳感芯片的橫隔（diaphragm）膜區域爆光。任何來自管芯附加裝置、金屬焊點或者成型過程中產生的壓力都將在最后一道封裝工序內通過設定整齊的參數來補償。
結果是為其他構造作基礎的高性能部分，包括洞的填補凝膠。各種各樣的端口可能也要到包裝上焊接。
電子學該電路包括信號調節和校準的所有功能，如針對壓力和溫度系數的前置放大，偏移校正，跨度校準，多階溫度補償，以及多階非線性校準。
通過集成一個基于DSP的修正引擎可以提供比雙芯片單元更好的精度，例如，許多雙芯片解決方案在接近室溫的情況下擁有很好的精度，但隨著溫度的上升，甚至達到極限溫度的時候，這些解決方案就暴露出許多故障，原因既在于電路的不完整，也在于極端情況下傳感元件的高階非線性效應。通過使用共集成的傳感器，錯誤曲線就能在整個工作溫度范圍內保持一致。
該系統通過一個配有8×超采樣技術的11-bitA/D模數轉換器來實現14-bit的有效數據轉換分辨率。這些數據接著通過車載DSP來進行處理，在那里由儲存在可擦除只讀存儲器EEPROM中的標準系數來進行校對糾正。接著再將正確的信號輸送到12-bitD/A數模轉換器中，通過這些數模轉換器來驅動輸出放大器。放大器設計驅動>2nF，在汽車環境中被用于抑制EMF。
校準
能給每個傳感器儲存校準和補償數值的候選技術包括：
那些在器件測試后需要激光調整（laser-trim）的厚或薄膜電阻器(為完成溫度補償和校準所需)。
電子調整，將補償和校準值編入到芯片中，這當中既可以采用一次性的編程技術，如保險絲，齊納壓二級管（Zenerdiodes）或片上調整電阻器，也可以采用可重新編程技術，如可擦除只讀存儲器EEPROM。
通過EEPROM和其他可重編程技術，校準系數可以在制造或裝配后利用實時編程的方式多次編入器件當中，當然，這些系數都是在那些測試數據基礎上獲得的。另外，相比激光調整（laser-trim）技術，這一部分也可以在封裝后被編程。
對校準而言，傳感器可以在多種溫度和壓力條件下被測量。那些來自模數轉換器中未經校正的數據通過每個數據點上配備數字化I/O來讀取。接著外部校準計算機來測定最小錯誤并將壓力、溫度以及它們的系數按順序輸入到EEPROM當中去。最后校準證實能依照要求測定準確
在沒有補償的情況下，系數跨度隨著溫度的升高而改變的越來越大，相比之下，在提供補償的情況下，系數跨度的變動接近于o。在補償情況下的系統總錯誤<0.25%，包括初始零點和全刻度的gain-set錯誤。
運算法則很適合對不同狀態（variousorders）下的壓力非線性進行輕易改正，也可以很方便地對那些gelling或其他媒介接口引起的溫度相關壓力非線性進行修正。
經過編程后，EEPROM將作為一個完整模塊被電子鎖定，或者在系統裝配完工后進行更深一步的調整。由于EEPROM在初始化程序后允許改變修正參數，因此這些修正值可以在測試過程中得到優化，或者在傳感器封裝進入系統的裝配工序后再次修正（例如，可以輸入串行信息或更好誤差休正）。
總結
本文所涉及的新型單芯片壓力傳感器，是采用與0.65mmCMOS和MEMS技術相兼容的工藝流程來制造的。在同一芯片上集成所有的信號調節和壓力傳感功能（包括汽車工業所需要的溫度和線形校正）。和混合架構相比，這種共集成（co-integrated）單元可以在縮減尺寸和成本的同時大幅改善性能。片上（Onchip）EEPROM儲存校準和補償值，測試結果表明器件性能比未補償之前有戲劇性的改進。這種共集成（co-integrated）技術預計也將延伸應用到其他器件上，包括加速計，陀螺儀和其他種類的傳感器上。
汽車行業對那些監測多路絕對壓力（ManifoldAbsolutePressure）和輪胎壓力的小型，強大以及精確傳感器系統的需求正變得越來越大，這是無容置疑的。而本文所描述的高性能單芯片傳感器則是一個將傳感元件、信號處理以及封裝合并而成的附帶放大器和校準輸出的高性能單芯片器件。
背景
壓阻式壓力傳感器需要信號調理電路（signal-conditioningcircuitry）來實現與其他電子控制系統的可互換（interchangeability）和兼容。由于每個傳感元件都具有自己的特色，且同時受壓力和溫度的影響，因此信號調理電路需要大量的修正系數（correctioncoefficients）。這里面包括偏移的校準、全刻度（full-scale）的調整以使單元間電力的互換、提供偏移和全刻度所需的溫度補償。另外，線性校準、診斷和過濾功能在某些時候也是必要的。
將信號調理電路和傳感元件結合起來的傳統方式只是技術和商業上的折中結果，換句話說，這是產品成本和性能之間的權衡。而單片機集成電路雖然降低了成本和尺寸。但在整合信號調理電路和傳感元件方面仍存在制作工藝上的限制。混合技術（Hybridtechniques）則采用專用的ASIC或分立電路的方式。盡管相比單片電路器件這種技術擁有諸多好處，具有更好的彈性來適應簡單元件更換的設計要求，但這種混合技術制作的產品在尺寸和成本方面往往顯得過大，另外還需要額外的裝配工序來加強可靠性。而雙芯片（Two-chip）解決方案的出現則為汽車制造商們解決溫度補償和線性糾正難題提供了第三條佳徑。
一種共集成（Co-Integrated）技術
制作共集成的壓力傳感器。是MEMS傳感器設計師和混合信號IC設計師合作的結晶，該產品是基于0.65mB混合信號CMOS工藝。芯片尺寸為10mm2..。這款電路除了能提供為偏移量和靈敏度校準功能外，還可以進行多階溫度補償和錯誤校正，并且還可以將校準系數存儲在EEPROM。
該制造工藝流程的設計允許所有標準CMOS步驟均可出現在裝配工藝前段。微機械加工步驟--在玻璃底板上刻蝕出壓力敏感掩膜，陽極焊點，形成絕對壓力結構，硅刻蝕工藝不停地在測深、劃片和檢查--在電路完成后重復執行。標準的P型注入傳感元件無須進行各種工序來合并形成一個特殊額外注入層。最后的管芯就可以直接提供給管芯消費用戶或下游封裝廠商。
封裝方式是采用一種16個引腳SOIC腔封裝模式重疊注塑（overmolding）而成。而完成封裝的一個途徑是采用一種專利的使用噴射模塑成型技術（injection molding）。這種技術可以將傳感芯片的橫隔（diaphragm）膜區域爆光。任何來自管芯附加裝置、金屬焊點或者成型過程中產生的壓力都將在最后一道封裝工序內通過設定整齊的參數來補償。
結果是為其他構造作基礎的高性能部分，包括洞的填補凝膠。各種各樣的端口可能也要到包裝上焊接。
電子學該電路包括信號調節和校準的所有功能，如針對壓力和溫度系數的前置放大，偏移校正，跨度校準，多階溫度補償，以及多階非線性校準。
通過集成一個基于DSP的修正引擎可以提供比雙芯片單元更好的精度，例如，許多雙芯片解決方案在接近室溫的情況下擁有很好的精度，但隨著溫度的上升，甚至達到極限溫度的時候，這些解決方案就暴露出許多故障，原因既在于電路的不完整，也在于極端情況下傳感元件的高階非線性效應。通過使用共集成的傳感器，錯誤曲線就能在整個工作溫度范圍內保持一致。
該系統通過一個配有8×超采樣技術的11-bitA/D模數轉換器來實現14-bit的有效數據轉換分辨率。這些數據接著通過車載DSP來進行處理，在那里由儲存在可擦除只讀存儲器EEPROM中的標準系數來進行校對糾正。接著再將正確的信號輸送到12-bitD/A數模轉換器中，通過這些數模轉換器來驅動輸出放大器。放大器設計驅動>2nF，在汽車環境中被用于抑制EMF。
校準
能給每個傳感器儲存校準和補償數值的候選技術包括：
那些在器件測試后需要激光調整（laser-trim）的厚或薄膜電阻器(為完成溫度補償和校準所需)。
電子調整，將補償和校準值編入到芯片中，這當中既可以采用一次性的編程技術，如保險絲，齊納壓二級管（Zenerdiodes）或片上調整電阻器，也可以采用可重新編程技術，如可擦除只讀存儲器EEPROM。
通過EEPROM和其他可重編程技術，校準系數可以在制造或裝配后利用實時編程的方式多次編入器件當中，當然，這些系數都是在那些測試數據基礎上獲得的。另外，相比激光調整（laser-trim）技術，這一部分也可以在封裝后被編程。
對校準而言，傳感器可以在多種溫度和壓力條件下被測量。那些來自模數轉換器中未經校正的數據通過每個數據點上配備數字化I/O來讀取。接著外部校準計算機來測定最小錯誤并將壓力、溫度以及它們的系數按順序輸入到EEPROM當中去。最后校準證實能依照要求測定準確
在沒有補償的情況下，系數跨度隨著溫度的升高而改變的越來越大，相比之下，在提供補償的情況下，系數跨度的變動接近于o。在補償情況下的系統總錯誤<0.25%，包括初始零點和全刻度的gain-set錯誤。
運算法則很適合對不同狀態（variousorders）下的壓力非線性進行輕易改正，也可以很方便地對那些gelling或其他媒介接口引起的溫度相關壓力非線性進行修正。
經過編程后，EEPROM將作為一個完整模塊被電子鎖定，或者在系統裝配完工后進行更深一步的調整。由于EEPROM在初始化程序后允許改變修正參數，因此這些修正值可以在測試過程中得到優化，或者在傳感器封裝進入系統的裝配工序后再次修正（例如，可以輸入串行信息或更好誤差休正）。
總結
本文所涉及的新型單芯片壓力傳感器，是采用與0.65mmCMOS和MEMS技術相兼容的工藝流程來制造的。在同一芯片上集成所有的信號調節和壓力傳感功能（包括汽車工業所需要的溫度和線形校正）。和混合架構相比，這種共集成（co-integrated）單元可以在縮減尺寸和成本的同時大幅改善性能。片上（Onchip）EEPROM儲存校準和補償值，測試結果表明器件性能比未補償之前有戲劇性的改進。這種共集成（co-integrated）技術預計也將延伸應用到其他器件上，包括加速計，陀螺儀和其他種類的傳感器上。
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