传感器设计人员承担的更具挑战性的任务之一是为汽车市场设计和制造可靠，坚固的压阻式传感器。经过多年的反复试验，这些设计师已经开发出了实践和技术，这些实践和技术一次又一次地被证明对汽车应用很有用。为了启发和告知那些使用这种技术的人(它解决了压阻式传感器的小容量用户)，下面的讨论揭示了该行业的几个技巧。

通常，产品最终成本的80%是在最初20%的设计工作中确定的。因此，事先了解必要的设计实践可以最大限度地降低成本，并提高您为苛刻的汽车环境设计坚固的PRT压力传感器的成功程度。

如果你以前从未设计过这种传感器，那么你的第一个任务就是打开一辆新车(也许是你自己的车)的引擎盖，仔细看看发动机舱。这一套电线、软管、连接器和发动机是传感器所能拥有的最恶劣的环境之一。考虑一下安装在发动机上的传感器在100°C以上工作时的热冲击，以及在70英里/小时的速度下突然喷洒泥泞的盐水。这种环境的其他特性也同样严重:

位于乘客舱内的传感器较少接触液体和溶剂，但会受到低温、水和电磁干扰的影响:

对于任何一种环境，传感器都应具有以下功能:

图1所示。典型的汽车引擎盖下环境。

为确保传感器满足客户对性能的期望，其规格和相关测试文件应尝试捕获具有代表性的应力和操作条件。您应该阅读并理解这些文档，但请记住，它们只是代表传感器所处世界的最佳尝试。成功的设计是基于经过验证的概念、材料和电路。例如，引擎盖下的任何连接器都代表了数十年来在设计、材料和生产技术方面的工程努力。同样，仅在几年前才被接受用于新型生产车辆的传感器可供您审查。你可以研究所使用的技术，所使用的材料，甚至组装技术。

汽车技术维修指南识别当今大多数车辆的传感器和线路。例如，大多数经销商和汽车配件商店都可以买到最新款汽车的维修手册(图2）. 它们包括图纸、照片和接线电压等级。你可以从汽车零部件零售商那里买一个传感器，把它拆开，研究一下，然后问自己为什么它是这样做的。与您所在组织中的汽车设计专家交谈，并尝试区分他们的观点、经验法则、确凿的证据和数据。此外，要考虑客户要求的新需求，客户试图实现的性能、成本或可靠性收益，以及这些需求是否代表了他或她当前所做的工作的逻辑进展。这个方向可能会打开你的思想，并导致创新思维“跳出框框”。

图2。车间手册显示布线，连接器和引脚信息。

在解决现有设计中的问题时，您可以从查看规范和了解操作环境中获益。对于典型的汽车传感器(图3）. 问题是否与特定的规范或测试有关?如果可能的话，生成一个准确的描述，集中你的调查努力。要具体，并包括显示好与坏或有问题与没有问题的数据。有趣的异常和其他干扰您工作的工件应该评估其相关性，并相应地进行分类。也就是说，他们应该被保存并纳入调查，标记为未知，或者干脆扔到一边，以供以后的调查。关注现有设备的基本原因包括设计、制造和规格与使用问题。

图3。每个传感器都有详细说明预期工作特性和环境因素的规格。

如果设计不可靠，它可能无法满足客户的期望。例如，在高温下附着力降低的模贴粘合剂可能无法在振动期间提供足够的强度来保持模具的位置，或者电路设计可能在车辆组装或维修期间对静电放电(ESD)的容忍度不足。在任何一种情况下，系统在通过其资格和设计验证压力测试后都可能在现场失败。请记住统计数据:一些选定的设备进行了设计稳健性测试，但生产了数十万或数百万台设备并进行了现场测试。大多数设计问题可以通过仔细的设计审查和合理的模拟来避免。

传感器设计的一个关键原则是确定所有重要特性，即如果在规范内实现，将产生完美功能的特性。这些特性应在生产过程中使用统计过程控制进行跟踪。对于稳定的生产过程，如果你能确保每个重要特性都在统计过程控制(SPC)设定的范围内，就不需要测试。SPC限值与规格限值有很大的不同。如果重要的特性在规格范围内，那么测试传感器只是浪费时间。

实际考虑有时会迫使对传感器进行测试。校准传感器的压力和温度性能通常比指定每个子组件以实现盲组装和运输所需的程度更具成本效益。(无论持续改进的程度如何，制造永远不会达到完美无瑕的状态。)了解重要特性并使用SPC跟踪它们可以减少必要的测试和校准水平，从而改善周期时间、产量和(最终)成本。

缺少焊点，不正确地混合多组分环氧树脂，或安装不符合规格的组件，都可能通过阻碍其设计的全部意图来破坏最佳制造设备。因为这样的制造问题每天甚至每小时都会出现数千次，它们迫使设计、产品和过程工程师在夜间和周末留在制造工厂。时间是解决问题的关键。成千上万的装配工人在下游的汽车装配线上等待着每一个零部件，而停止这一流程每天可能要花费100万美元以上。

一家大型汽车供应商的高管表示:“每有一个从客户那里退回的不良零部件，就有十几个已经在生产中了。”“骨堆”是制造过程中测试和检查的沉降物，而不合格的部件只是那些可测试参数超出测试极限的部件(测试极限包括规格限制，不包括测量和可重复性的保护带)。

有多少设备侵犯了测试限制，但没有越过边界?更重要的是，他们一开始为什么要入侵?改变了什么?w·爱德华兹·戴明(W. Edwards Deming)的职业生涯就是提出这些问题，他通过将制造业与统计过程控制相结合，彻底改变了制造业[1]。接近边缘极限的部分与规范不同，并且可能在某些方面与设计意图不同。这种变化或差异是稳定的吗?它是否会随着时间或温度的变化而改变，从而导致现场故障?如果每个未通过测试或检查的组件都能被分析以找到其失败的根本原因，那么通过纠正根本原因，您就可以实现稳健和微调的制造过程。骨堆中的每个组件都代表了一个过程差异、材料差异和尚未发现的重要特征的故事。

其他失败包括产品的定义与实际使用。例如，如果指定在0-50psi下工作的传感器在实际中暴露在60psi下，则其故障可归因于定义不明确的规格。在更微妙的情况下，传感器被指定在汽车汽油和甲醇存在的情况下工作。设计验证测试包括在规定的时间、温度等条件下暴露于汽油和甲醇，但传感器在现场因明显暴露于汽油而失效。事实上，暴露在甲醇和汽油的混合物中，其比例比单独使用汽油或甲醇对材料的危害更大。因此，试图捕获真实世界条件的规范和测试定义是有缺陷的或措辞不当的。该传感器符合其自身的规格，但不符合客户的期望。

由于在传感器设计周期的后期，许多规格定义与使用的情况很难解决，因此您应该阅读规格和测试需求，注意传感器的实际预期环境。对于每个规格项目和测试条件，问自己为什么要包括它，以及要解决的实际操作条件是什么。不符合该规范的结果或含义是什么?

为了解决设计和制造问题，采用8-D解决问题的技术。8-D工艺是多年前由一家大型汽车制造商开发的，其目标是提供一种有效的方法来确定根本原因和纠正措施。这是八项原则:

1. 问题描述

2. 控制操作

3. 根本原因

4. 根本原因验证

5. 永久性纠正措施

6. 永久性纠正措施的验证

7. 预防复发

8. 祝贺团队!

这种解决问题的技巧迫使人们去除个人观点和“直觉”陈述，并带来事实和数据。福特电子部门的质量控制执行董事在8-D审查会议上说过一句著名的话:“我们相信上帝;所有其他人都带来了数据。”它的工作原理。保持问题描述清晰、简洁，以至列出受影响单位或车辆的序列号。如果对工艺或设计的即时调整被用作维持高质量出货的临时手段，请将其列为控制操作。隔离措施将被移除和/或补充永久性纠正措施只要pca有了。

的根本原因将是一个最终和简洁的陈述，说明是什么设计、制造或规范与使用问题产生了问题。在永久性纠正措施被投入生产之前，a验证计划必须开发和执行作为永久性纠正措施的验证序列。预防复发对防止历史重演至关重要。

最后,祝贺你的团队。虽然这一步很简单，但却是最容易被忽视的一步。它提供了两个重要的结果:团队因确定并解决了一个重要的问题而得到认可，祝贺标志着该问题的工作结束，团队解散，并允许返回正常职责。

这个解决问题的过程是关于您的传感器产品和制造过程的一个有趣的发现之旅。如果你对各种可能性保持开放的心态，并有足够的信心承认你不是一直都知道所有的答案，那么每个问题都可以成为一次有趣的教育经历。

诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)这样总结发现事物的乐趣:“……激动,…当我们足够深入地审视任何问题时，敬畏和神秘就会一次又一次地出现。知识越多，越深奥，越奇妙的奥秘，诱使人继续深入。从不担心答案可能会令人失望，而是带着快乐和自信，翻开每一块新的石头，发现意想不到的奇异之处，继而发现更多奇妙的问题和奥秘——这当然是一次伟大的冒险!”[2]。

当涉及到PRT传感器材料(硅胶和其他保护涂层的传感元件和集成电路，以及模贴环氧树脂)，一些评论是有序的。这些材料在传感器制造中一次又一次地出现。它们的使用需要了解它们的初始特性，延长寿命特性以及处理和混合的注意事项。典型的PRT传感器装配图如图所示图4．

图4。典型的基于prt的压力传感器的截面图。

模贴环氧树脂有许多品种和成分。通常用于PRT传感器安装的粘合剂包括软装橡胶基粘合剂，氰基丙烯酸酯基粘合剂(带有导电银片填料或不导电的SiO(2)填料)，两组分环氧共混物和硅基粘合剂。每种材料的独特特性解决了机械应力、温度、化学反应性(或惰性)、易于制造和成本等问题。所需的化学免疫取决于模具是否暴露于环境环境及其污染物或被测量压力的介质。温度不仅应在操作过程中考虑，而且在制造、储存、运输和下一级组装过程中也应考虑。通常，最关键的参数是由模具附着材料传递给PRT元件的机械应力。

关注的不仅是模贴、基板和PRT元件的不同温度系数，还包括许多硅树脂和环氧树脂基材料，它们根据温度表现出两种不同的机械性能之一。所讨论的材料在玻璃化转变温度Tg下在这些性质之间发生转变[3]。高于这个温度的材料往往更硬，(可能)热膨胀系数降低。在它以下，它们往往更柔软和柔软。

在偏置或灵敏度对温度的测量中，这种特性通常表现为弯曲或弯曲(图5）. 在生成从最低温度到最高温度的温度步进曲线时，这一点变得很明显。由于曲率中的任何扭结或弯曲都表明材料属性的变化，因此实际上必须使用两种不同的材料进行设计。似乎这还不够，两组分环氧树脂的Tg取决于两组分混合的比例。因此，最终设计的材料性能是两部分测量和混合过程的函数。

图5。当材料通过玻璃化转变阶段(Tg)时，灵敏度会发生变化。

传感元件和集成电路的保护涂层与上面描述的模贴材料具有相同的性能特征，但具有不同的效果。与传感膜片接触的保护涂层会引起随施加压力的迟滞、随温度的迟滞、随温度的灵敏度和偏移量变化(高于和低于Tg)、随时间的输出漂移和输出蠕变。

硅具有出色的机械性能，可用于制造可靠且可重复的传感器，但模贴材料和保护涂层的引入会降低传感器的性能。为了抵消这种影响，你应该知道在制造过程中，材料是如何被混合比例的变化、老化的影响、在固化前暴露在空气中的影响、固化时间和温度等等所改变的。一旦制成原型，所选择的材料很可能与生产的第一百万个传感器中使用的材料不同。

一些简单的提示可以使传感器设计的电子部分更加健壮。一般来说，PRT传感元件安装在基板上，而基板又安装在外壳或传感器本体上(图6）. 外壳内的管道将流体介质引导到PRT元件的活动部分。基板包含信号调理IC(在这种情况下显示为一个芯片)和几个分立的电子元件。它还为连接器提供电气路径，以接收电源并访问输出信号。连接器通常是3线型，承载被测压力的电压。基本电路布局原则为给定的原理图设计提供最佳性能:

• 保持IC和PRT检测元件之间的电线连接尽可能短。

• 不要将传感元件的印刷布线迹与其他元件混在一起，特别是与数字时钟走线和OUT走线混在一起。

• 保持0.1µF(或推荐值)的去耦电容尽可能靠近IC，尽量减少印刷布线互连。

• 用接地平面填满所有剩余的印刷布线面。

• 将ESD/EMI电容尽可能靠近连接器引脚。

• 如果电路漂浮在与印刷布线电路电连接的导电外壳内，则用电阻路径将外壳连接到电路地。

• 对于所有ic，根据需要将未使用的输入直接或通过电阻连接到V(DD)或GND。

• 缓冲电源输入与低阻抗电阻和电容器，尽可能靠近连接器。如果可能的话，将该滤波电容器与ESD/EMI电容器组合。

• 保护IC和感测元件的钝化层。IC钝化的任何妥协都是废弃组装的理由。

• 如果可能的话，用导电的贴片材料接地ic安装桨。

• 如果可能，将传感元件与外壳或压力端口绝缘。

图6。一个典型的压力传感器组件。

如果你愿意投入时间，调试传感器电路是一门可以理解的艺术。大多数传感器异常可以快速解决:

• 检查电源。

• 看看时间。

• 检查内存。

• 检查测试设备的参考和接地位置。

通常，表面上的传感器异常实际上是在恶劣环境下运行的良好传感器。为了确定问题在于传感器本身，您可以通过检查和重复检查传感器的电路来节省数小时的时间和挫折感-可以在书中找到调试程序故障诊断电路［4］．

在调试一个有故障的传感器(例如，线路的辐射)时，您可以有信心地知道，数千个假定相同的单元都工作得很好。当每个组件连接并正常运行时，您可以确保设备也将正常工作。在调试第一次原型时，这种保证是不存在的，因为没有类似的电路被生产出来或被证明工作。因此，挑战在于注意到手头的传感器与之前的几千个传感器有何不同。

传感器的可重复性就是一切。一个传感器对温度和压力的反应是不可预测的，再多的电子设备也无法纠正它。揭示传感器不可重复性原因的几个技巧已经被一次又一次地证明。但是，您必须决定哪些适用于您的传感器组件:

• 缓慢的温度阶跃循环

• 高温浸泡

• 高温浸泡，压力滞回检查

• 超过温度的电源抑制测试

通过从最低到最高极值的小增量步进温度，缓慢的温度步进循环测量偏移量和跨度随温度的变化。大多数传感器在+25°C下测试，然后在-40°C下测试，然后在+125°C(或+85°C)下测试，然后再在+25°C下测试。称为三温度测试，该过程假设传感器在中间温度点表现出平滑和连续的行为。

但在这两者之间到底发生了什么?在任何好的传感器上尝试这个测试:以15°C的增量从室温到冷，到热，到冷，到热，再回到室温，测量每个级别的传感器响应。如果传感器的额定温度为-40°C至+125°C，请尝试超出这些限制的温度循环，例如从-55°C到+150°C。偏移量和跨度在每个循环中遵循相同的曲线，还是每个循环产生不同的曲线?该测试超出了传感器的指定工作范围，但最好知道在该范围之外不会发生突然的灾难性故障。

就可靠性而言，传感器输出在极端情况下的行为与故障一样有趣。曲线是否在工作温度极限附近或刚刚超出工作温度极限时出现显著的弯曲?什么材料或电气特性发生了变化或成为主导导致这种变化?弯曲通常在正常操作范围内开始，表明聚合物材料通过前面描述的玻璃化转变温度进入玻璃相。原始设计中是否考虑了替代性能(温度系数，杨氏模量等)?当设备脱离玻璃相时，它是否会恢复到原来的应力水平和/或位置?如果不是，则输出中可能存在随温度变化的滞后。

高温浸渍试验检查材料的稳定性。从25°C开始，验证传感器操作，然后监控传感器输出，同时快速将温度运行到最高操作水平或更高。在保持高温的情况下，记录几个小时的输出。在此保持时间内的输出变化表明，当组件在升高的温度下达到平衡时，由于传感器上的热梯度而导致的输出变化(不那么有趣)或材料蠕变(更有趣)，当材料通过放松或移动到较小的应力条件来响应应力时，就会发生这种变化。

哪一种物质在蠕动?检查塑料和聚合物。为了确定哪一个是罪魁祸首，可以使用不同的材料(如保护涂层)制造传感器，使用或多或少相同的材料，或者缺乏可疑材料。然后，在修改后的单元和(理想情况下)控制单元上重新运行测试，看看属性是否发生了变化。

带压力滞后检查的高温浸泡测试与上述类似，但它是在压力从最小到最大的循环过程中监测输出，而不是随时间监测输出。压力输出信号是否每次都遵循相同的曲线?否则，由于施加压力，某些材料可能会松弛或蠕动。作为最后的测试，将压力设置在最大并保持稳定，同时将设备返回到室温(或更低)，然后将压力降至零。输出是否立即归零?是否需要几个小时或几天才能返回到测试开始时记录的零值?如果是，检查高分子材料。此外，考虑任何机械组件，其中两种不同的材料相互接触，导致摩擦滑动的情况。

对于温度下的电源抑制测试，只需在几个不同温度下的每一个从最小到最大的电源电压循环。一般来说，最高、最低和室温就足够了。在每个温度下，由于电源电压变化而引起的输出变化是否相同?当热或冷时，输出是否明显更嘈杂(或更安静)?集成电路在不同温度下具有不同的电源抑制特性，但外部电容器(单片、钽、电解)对这些特性的基值有明显的影响。电路设计应通过分析元件值随温度变化等最坏情况的影响来考虑这些因素。

该测试提供了一个探索电路特性的机会，如低压工作点和启动复位操作。在每个温度下，慢慢降低电源电压，直到传感器停止工作。当它停止工作时，拨回电压到其正常工作范围，看看电路是否恢复并开始工作。本程序测试了设计对电源温度异常的鲁棒性。另一方面，不建议检查高压操作能力，因为这种测试通常是一种确定的方法，让烟雾从IC中出来。

关于可靠传感器生产的最后一点涉及变化，这可以说是大批量汽车制造的主要问题。因为改变通常会带来麻烦，所以大多数在汽车行业工作多年的汽车制造工程师都对改变感到恐惧。一个看似微不足道的小变化，就能让一家汽车车身和装配厂每天数百万美元的运营陷入停顿。为了说明这种效应，数学家Benoit Mandlebrot提出，一只蝴蝶的翅膀在中国引起的扰动可能会引起半个地球的飓风。

确保为制造、材料或部件的任何变更制定验证计划。核查计划概述了为证明不存在不利影响而进行的试验。它应该复制所有下游车辆组装和测试操作，以及车辆道路测试。

许多变更决策的共同点是降低成本。当为了节省成本而对设计良好的产品进行更改时，没有充分理解或验证其后果，结果可能是一场灾难。没有什么能比设计良好的产品(意味着它代表了对材料和工艺的成本效益选择和评估)的性价比更高，并且在良好定义的制造过程中以高产量生产。对于降低成本的战略家来说，最好的建议是专注于下一代的设计，而不要去管现有的产品。

参考文献

1. 沃尔顿，1986。戴明管理方法。近地点的书。

2. 理查德·费曼，1999。发现事物的乐趣。柏修斯出版社，第144页。

3. 希金斯，r.a. 1994。工程材料特性“，”第二版，工业出版社，第296-298页。

4. 罗伯特·皮斯，1991。故障诊断电路。Butterworth-Heinemann。

这篇文章的类似版本出现在2001年4月的传感器杂志。