在感测器设计工程师所面临的几个较具挑战性的工作中，汽车市场应用可靠稳固压阻式感测器的设计与制造可以说是较为艰巨的任务，经过多年的尝试错误与修正，工程师们已开发出适合汽车应用的实用做法与技术，为了帮助并启发在这项技术上努力的工程师们，本文将讨论几个设计上的诀窍以供参考。

同样可以应用常见的80～20法则，产品最终成本的80％是由设计初期20％的努力决定，因此能事前了解所需的最佳实际设计做法将可把成本降到最低，同时改善针对严格车用环境所设计稳固PRT压力感测器的成功率。

车用环境严苛

如果从未设计过这类感测器，首先就应该先参考最近的车型，并仔细研究它引擎的部分，包括各式各样的接线、管路、连接器以及引擎室感测器可能面临的最严苛环境，思考一下，附着在引擎上的感测器会在超过100℃的温度工作时突然面临剧烈温度变化，并且可能瞬间受到70mph速度的泥泞盐水喷溅的情形，这类环境的其他特性也相当严苛：

虽然位于车室内的感测器较少受到液体以及溶剂的困扰，但却还是会面临低温、水分与EMI的问题：

不过在这两种环境中，感测器都应该拥有：

为确保感测器能符合客户在效能上的期待，它的规格以及相关测试文件应该要符合代表性的压力与运作环境，必须记住，这些只是感测器所面临运作环境的代表，成功的设计必须仰赖经过验证的概念、材料以及电路，例如引擎盖下的任何连接器都代表了设计、材料以及量产技术上数十年的工程努力，同样地，在几年前受到最新量产车型所采用的感测器也非常适合做为检讨的目标，可以研究它们所使用的技术、采用的材料甚至是组装的方式。

汽车维修指南大多会标示出目前汽车中的感测器与连接方式，例如较新车型的汽车手册也都可以从大部分的经销商或汽车零件销售商取得，请参考图二，它们通常会包含接线图、照片以及连接线路电压等资讯，当然也可以向汽车零件商购买感测器，将它拆解研究并探讨为什么会以这样的方式设计，向身边的汽车设计专家讨教，并思考他们的意见，和黄金守则间的差异、实际的证据以及相关的资料，同时并思考客户所提出的新要求、想要达到什么样的效能、成本及可靠度，而这些要求是否符合目前正在使用设计的逻辑进程，透过这样的方式将可以帮助打开视野，取得创新的思考。

在解决现有设计的问题时，可以藉由再次研读规格并了解运作环境而获益，对典型的车用感测器来说，有几个规格相当重要，请参考图三。我们必须思考，这个问题是否和特定的规格或测试有关？如果可能，尽量写下有关于研究努力的明确描述，记住，要针对特定​​的问题，并记录显示良好或不良，或者是有问题或没问题的详细资料，特殊的异常现象以及影响努力的人为因素都应该加以记录，并找出它们的关联性，再逐一归档，也就是说，应该要储存这些情况并在进一步研究时加以涵盖，将它们标记为不明原因，或者是暂时加以搁置以便稍后进行研究，对现有元件进行探讨的主要理由在于设计问题、生产问题以及规格相对于实际使用的问题。

如果设计并不稳固，就可能无法满足客户的期待，例如，在温度升高时黏着力会降低的晶片黏胶在震动时可能就无法提供将晶片黏贴在固定位置的强度，或者是电路的设计无法承受汽车组装或行驶时的静电放电（ESD）冲击，在以上的两个例子中，系统都有可能在经过品质验证与设计确认的压力测试后在实际使用现场发生失效，请记住这个统计数字，只有少数被选中的元件会进行设计稳固度测试，但更有数百、数千甚至数百万颗元件则是依照相同的方式生产，然后在使用现场才加以测试，大部分的设计问题都能够透过谨慎的设计检视以及合理的模拟来加以避免。

一个感测器设计上的关键守则是找出所有重要的特性，例如如果能够确实遵守规格来实现就可以取得完美运作的功能特性，这些特性必须在生产时使用统计制程管制（Statistical Process Control；SPC ）来加以追踪，对于稳定的生产流程，如果我们可以确保每个重要特性都能够符合统计制程管制所设定的限制，就可以不用进行测试，统计制程管制限制和规格限制间有相当大的差异，如果这些重要特性都符合规格，那么进行感测器的测试可以说是浪费时间。

但是实际运作的考量有时候会迫使我们必须对感测器进行测试，对感测器进行压力与温度效能的调校通常比对每个子生产线要求达成随意组装（blind assembly）并交货程度的目标要来得更有成本效益，因为制造商永远不可能达到100%完全没有问题，就算是每次都持续改进也一样，因此了解重要特性并透过统计制程管制来加以追踪将可以降低测试与调校的需求，因而改善出货速度、良率以及成本。

少了一个焊点，多成份环氧树脂的不正确混合，或者是装入超出规格的部件都可能会因为没有符合原始设计的目的而影响所生产的元件，由于这类生产问题可能会在每天甚至每个小时发生数百次或数千次，因而造成设计、产品以及制程工程师必须昼夜赶工，甚至是周末加班待在生产线来协助解决问题，解决问题的速度相当重要，因为数百数千个组装工人正在汽车生产线上等待，生产流程的中断可能会造成一天百万美元的昂贵成本。

一个主要汽车厂的行政高层表示，「对每个由消费者处所退还的不良品，通常在生产线上还有更多相同的淘汰产品。」生产线中的不良品是在生产测试以及检验过程中所发现的失败品，这些不良品都是可测试参数不符合设计要求的产品，测试限制包括规格限制、不在可控制范围内，或者是可重复性有问题。

到底有多少元件原本位于限制范围但最后却出现问题？更重要的是，为什么它们在一开始可以符合限制要求？到底发生了什么变化？品管大师戴明博士（W. Edwards Deming）终其一生持续研究这些问题，并透过在生产线整合统计制程管制带来革命性的改变。 [1]

接近于限制临界点的零组件和正常的产品不同，同时也很有可能和原本的设计目的有所差异，但这样的变化或差异是否稳定？会不会再随着时间或温度进一步变化，从而造成现场使用时的失效问题？如果每一个无法通过测试或检验的元件都能够经过分析来找出失效的真正原因，就可以由源头加以修正，达到稳定而且精细调整的生产流程，不良品区的每个元件都代表了一个制程变化、材料差异及尚未发现重大特性的证据。

其他失效还包括产品的定义以及实际使用的差异，例如一个规格为0到50psi的感测器在实际使用时却处于60psi的环境下，那么它的失效就可以被视为来自于定义不良的规格，以更精细的例子来描述，如果感测器是以汽车汽油和甲醇存在时的工作环境来定义，那么设计验证测试就会包含了在特定的时间、温度情况下暴露于油气以及甲醇的环境下来进行，但感测器却在现场实际运作时却因明显暴露在油气中而失效，但事实上是因环境中油气与甲醇混合的比例对材料有所伤害，而非只有油气或甲醇的单纯环境，这就表示，用来描述实际使用情况的规格或测试定义中有漏洞或不正确，虽然感测器符合本身制定的规格，但是却无法满足客户的期待。

解决设计难题

由于在许多情况下，要在感测器设计的后期解决规格定义与使用环境间差异的问题相当困难，因此必须详细研读规格以及测试要求，并注意感测器将会面临的实际使用环境，对每个规格中的项目以及测试条件都应该思考为什么它们会被加入，到底它要解决的是什么样的实际运作情况？如果没有符合这个规格，那么可能会发生什么问题？

要解决设计与生产问题，建议导入知名的8D问题解决步骤，8D程序是几年前由几家主要汽车制造厂所发展出来，目的是提供找出问题来源并进行修正动作的一个有效方法，八个步骤分别为：

这个问题解决技巧可以排除个人看法以及直觉猜测，并导入事实与数据资料，福特汽车电子部门的品质管制执行总监曾经在一个8D检讨会议中说了一句相当知名的名言，「我们相信上帝，但除此之外我们只相信数据。」这个方法实际上相当有效，尽量让问题的描述清楚简单，甚至列出受到影响单元或汽车的序号，如果对流程或设计进行立即调整来做为控制品质的暂时性措施，那么就应该将它们列为暂时性补救措施，同时暂时补救措施也应该要在找到永久排除对策后加以取代或补强。

问题来源是有关产生问题的设计、生产或者是规格与实际使用情形间差异最终且简单明确的描述，在永久排除对策实际导入生产前必须先发展出验证计画，并且将它做为整体永久排除对策验证程序的一部份，而防止再次发生则对避免同样问题重复发生非常重要。

最后对团队进行激励，这个步骤相当简单，但通常最容易被忽略，基本上它提供了两个相当重要的结果，首先团队被认可找出并解决了重要的问题，而激励动作更代表了问题获得解决，团队可以松一口气并且回到正常的工作任务。

这个问题解决流程对感测器产品以及生产流程而言都是一个相当有趣的发现之旅，如果我们保持开放的心胸来面对各种可能的情况，同时具备足够的信心来承认我们并不可能每次都有答案，那么每个问题都将成为一个相当有趣的自我教育经验。

《图一 汽车引擎旁的传感器可能面临-40℃到150℃的温度变化，大量水气喷溅、液体溢出以及严重的机械震动。》

诺贝尔奖得主物理学家理察费蒙（Richard Feynman）对找出问题解答的乐趣做了以下的描述：「当我们对任何问题深入探讨时，激动、敬畏以及神秘都会一再出现，当知识越来越深入时，更多有趣的神秘事物会吸引我们更加投入，但请不要在意答案所带来的失落感，而是微笑并坚定地面对我们所发现的新事物，进一步找出前所未期的奇怪现象，带领我们面对更另人惊奇的新问题以及神秘事物，而这实际上是一个相当状观的旅程！」[2]

对于PRT感测器材料，在感测元件与晶片上使用矽胶或其他保护涂层以及黏合用的环氧树脂，我们提供了几个建议，这些材料会在感测器生产时重复使用，在使用时需要对原始材料的特性、经过长时间使用后的特性变化，以及处理与混合时的注意事项有相当的了解，图四为典型PRT感测器的组装图。

黏合用的环氧树脂有许多不同的变化与组成，经常使用在PRT感测器组装上的包括软式橡胶材质黏剂、氰基丙烯盐酸黏合剂、两个环氧树脂的混合以及矽胶式黏剂，不同材料的独特特性可以用来解决机械应力、温度、化学反应、生产以及成本的各项问题，而所需的抗化学反应能力要求则依黏合物质是否暴露在周遭环境以及本身内容物或者是要测量的压力媒介​​而定，其中温度的考虑并不能局限于工作时，而必须同时考虑到生产、储存、运送以及下一个阶段组装时的问题，通常最重要的参数是黏合材料对PRT元件所造成的机械应力。

我们要考虑的不仅是黏合材料、基体以及PRT元件不同的温度系数，同时还必须包含会因温度造成不同机械特性的许多矽胶以及环氧树脂材料，所面对的材料会在玻璃转移温度（Glass -Transition Temperature）Tg时造成这些特性发生变化[3]，超出这个温度材料会倾向变硬，并极可能造成温度扩张系数的降低，在低于这个温度时，它们的材质可能会更加柔软同时滑顺。

这个特性通常会在偏移或者是灵敏度相对于温度的测量上形成一个弓型曲线，如图五，当由最低到最高温度架构一个温度步阶特性图时就会相当明显，由于任何曲线上的扭曲就表示在材料在特性上发生了变化，因此在实际设计时必须采用两种不同的材料，如果这样还不足以解决问题，玻璃转移温度可以由两种环氧树脂的混合比例来加以改变，因此最终设计的材料特性就由两个部分的测量与混合函数来代表。

感测器元件和积体电路的保护涂层拥有和以上讨论黏合材料相同的特性，但效应却不同，保护涂层和感测隔膜接触可能会造成施加压力的迟滞区间、温度造成的迟滞区间、因温度高于或低于玻璃转移温度所造成的灵敏度与位移变化，随着时间而发生的输出飘移以及输出蠕动等。

矽晶片材料用在生产可靠且可重复性高的感测器时拥有相当良好的机械特性，但加入了黏合材料以及保护涂层则会降低感测器的效能，为了解决这个问题，应该要了解如何透过混合比例、老化影响、事先暴露在空气中以及因时间与温度所带来的影响来改变生产材料的特性，当进入原型设计时，所选用的材料很有可能会和第一百万个生产的感测器有所不同。

《图二 典型的汽车手册会提供传感器的电气联机以及接脚信息、链接媒介与端口以及在汽车中的位置。》

部分简单的原则可以让感测器设计的电子部分更加稳固，基本上PRT感测器元件会安排在一个基体上，再透过它安装到外壳或感测器本体，如图六，外壳内的灰尘会对PRT元件的感应部分形成流体媒介，基体则包含有信号整形晶片，在这个例子中为矽晶片，以及数颗离散式元件，它同时也提供连接到连接器的电气路径，以便取得电源并提供输出信号，连接器通常是一个包含代表所测量压力资讯类比输出电压的三线式形式，基本的电路布局原则可以为特定的电路设计带来最佳的效能表现：

如果愿意花时间，类比感测器电路的除错将是一个相当复杂的过程，不过大部分感测器的误动作都可以透过以下的步骤快速解决：

通常明显的感测器误动作实际上大多是在不良环境下运作的良好感测器，要确定问题出在感测器本身，可以透过检查并重覆检查感测器的电气与机械输入来节省多许多时间与挫折。 [4]

在进行错误动作感测器的除错时，已知道有数千个其他相同元件都能够正常工作，当每个元件相互连接并且适当运作时，这个元件也能够正常工作，但这样的假设不适用于进行第一个原型机除错，因为没有类似的电路已经被量产并证明可以正确无误地运作，因此，面临的挑战就是如何找出手上这个感测器与其他先前世代数千颗感测器间的差异。

《图三 部分客户与组件规格会详细描述每个车用传感器期望的工作特性以及环境因素。》

感测器的可重复性最为重要，没有任何的电子线路可​​以对面临温度与压力时反应无法预测的感测器进行修正，不过业界已经有许多可以用来找出造成感测器无法提供可重复性原因的方法，并且已经经过时间的证明有效，但还是必须决定哪一种最适合我们的感测器组装程序：

透过让温度以微小差异持续由最低到最高逐渐变化增加，缓慢的温度步阶循环变化可以测量不同温度下的偏移与区间变化，大部分的感测器以25℃、接着-40℃，然后125℃或85℃，接着回到25℃的方式进行测量，称为三重温度测试，这个程序假设感测器会在中间温度点拥有平稳且连续的行为表现。

但之间到底会发生什么情况？将这个测试应用在良好的感测器上，让温度由室温变换为低温、高温，接着再低温、高温，然后回到室温，并以15℃为变化单位，测量感测器在每个条件下的反应，如果感测器的规格为-40℃到125℃，那么应该要进行超过这个限制，例如从-55℃到150℃的温度循环测量，找出是否在每次循环时偏移与幅度都依循相同的曲线？或者是每次循环都会产生不同的曲线？这个测试超过了感测器所指定的工作范围，但却可以用来了解如果工作条件些微超出范围时，会不会发生突然发生瞬间失效的情况。

《图四 典型PRT压力传感器的剖面图显示了压力的端口、基体上的硅芯片以及各种聚合材料。》

至于在可靠度方面，感测器输出在较极端情况下的行为表现基本上可以视为失效，反应曲线会在接近或者是恰巧超过温度限制时有大幅的变化？到底是哪些材料或者是电气特性发生改变，或者成为造成问题的主要原因？变化通常在正常的工作范围就会开始显现，代表了聚合物质会因前面提到的玻璃转移温度转变为玻璃相表现，而不同的特性，例如温度系数、杨式系数（Young's Modulus）及其他是否在原始设计中就加以考虑？当元件离开玻璃相时，是否会回到原始的应力状态或位置？如果没有，那么因温度造成的迟滞现象就可能会出现在输出中。

高温持续测试可以用来检查材料的稳定度，由25℃开始验证感测器的运作，接着在监测感测器输出的同时快速地将温度上升到最高的工作温度甚至超出，并在维持高温的情况下进行输出纪录数个小时，在这个时间内的输出变化可以代表当组装后在较高温度形成时感测器上的温度差异，或者是材料在面对较低应力时对应力低反应所造成的材料蠕变所带来的输出变动。

到底那些材料会发生蠕变？请检查塑胶与聚合物，要决定造成这个变化的来源，我们可以使用不同的材料，例如保护涂层来架构感测器，或者使用较多或较少的材料量，甚至是移除可疑的材料，接着对经过修正的单元进行相同测试来找出特性是否发生变化，这时如果还有一个可以控制的对照组将更为理想。

《图五 聚合材料会在材料经过玻璃转移温度Tg时会出现重大的材料特性变化。》

搭配压力迟滞检查的高温持续测试和以上相当类似，但却是在将压力由最低到最高循环变化下进行输出监测，而非随时间的变化，压力输出信号是否每次都依循相同的曲线？如果不是的话，可能有部分材料会因施加的压力而出现的蠕变或疲乏，接着在最后测试中将压力设定在最高并保持，让元件回到室温或更低，接着将压力降低到零，这时输出是否会立即回到零？还是需要数​​个小时、数天才能够回到测试开始时所纪录的数值，如果是这样的情况，请检查聚合物质，同时也必须考虑两个不同材料相互接触的任何机械组合可能造成的摩擦力滑动的情形。

要进行不同温度下电源拒斥能力的测试，我们只要在几个不同温度下将电源电压由最低到最高进行循环变化，基本上使用最高、最低以及室温就已经足够，检查因电源电压改变所造成的输出变化是否在不同温度下相同？输出在高温或低温时杂讯有没有大幅增加或减少？晶片在不同温度下电源拒斥能力是否不同？外加电容，例如单片、钽质、电解电容是否会对这些特性的基本数字有所影响？电路设计应该要考虑这些因素并进行最坏情况的分析，例如零件值在不同温度下所发生的变化。

这项测试提供了检视电路特性的机会，例如低电压运作点以及启动重置运作等，在不同的温度下缓慢地降低电源电压直到感测器停止运作，在停止运作后，将电压回复到正常的工作范围并观察电路是否会回复并开始动作，这个程序可以用来测试整个设计在不同温度下对电源异常的承受能力，另一方面，并​​不建议进行高电压运作能力的测量，因为这样的测试基本上只会对晶片造成伤害。

《图六 典型的压力传感器组装包含一或多个主动式硅芯片集成电路、被动电阻与电容组件以及其他机械零组件。》

结语

生产可靠感测器时最后关注点是改变，而这也正是争论中大量汽车生产时所面临的主要问题，由于改变通常会带来麻烦，因此在业界已有数年工作经验的汽车制造工程师通常会予以避免，就算是看起来不太重要的小小改变也可能会造成一天价值数百万美元的汽车车体组装生产线暂停运作，为了描述这个效应，数学家贝诺．曼德伯（Benoit Mandlebrot）提出了一个称为蝴蝶效应的理论，也就是在中国一只蝴蝶拍动翅膀所造成的空气扰动最终可能会造成世界另一端的飓风。

请切记要对任何生产、材料以及零件的​​变化建立一个相对的验证计画，这个验证计画必须描述所需要进行的测试以便证明不会造成不良影响，并应该能够复制所有接下来的汽车组装与测试程序，同时包含汽车的实际上路测试。

基本上许多改变的主要目的是降低成本，但是如果要在经过良好设计的产品上进行时，假如没有详细完整的了解并验证相关的影响，那么就可能会带来相当大的灾害，没有任何东西可以比得上良好产品设计的成本表现，因为它代表了对材料与相关程序最具成本效率的选择与评估，并且以高良率的良好定义生产流程制造生产，因此降低成本的最佳做法是将焦点放在下一代的设计而不要尝试改变现有的产品。

---作者任职于美商美信（Maxim）公司---

＜参考资料：

[1]戴明的管理方法（The Deming Management Method）：Mary Walton着，1996年。

[2]费曼的主张（Pleasure of Finding Things Out）：Richard Feynman着，1999年。

[3]工程材料特性第二版，R A Higgins着，1994年。

[4]类比电路除错，Robert Pease着，1991年。 ＞