目前最先進的汽車皆配備許多感應器，將物理輸入變量轉換成電子訊號，傳送至引擎管理電子控制單元及安全舒適系統，控制開閉迴路。許多新型汽車購買者在選擇汽車廠牌時，除了主觀的意識之外，也會考量汽車的省油性能、廢氣排放量、安全及豪華、舒適感等要項。這些購買的誘因及法令的要求，正逐漸提升汽車應用智慧型感應器的需求。
當今的汽車系統會記錄並處理大量的感應輸入變量，如加速度、壓力、溫度、引擎速度、旋轉速率、角度、應力、距離、液體存量及化學組成(空氣品質或油料品質)等。新型感應器能夠將感應器元件和訊號評估電子裝置(溫度補償、類比/數位轉換)整合於單一晶片，並在可用時以無線方式傳輸相關資訊，發展潛力十足。本文以最新實例介紹汽車微機電壓力感應器的應用領域，同時討論未來的需求和趨勢。
製程技術攸關壓力感應器用途
今日所採用的技術與汽車壓力感應器的用途有直接關係。選擇感應器元件和封裝技術時，考量的重點也就在於安裝位置及主要的溫度、壓力及環境媒介。舉例來說，圖1說明用於引擎管理的感應器。
在壓力感應器的應用方面，當壓力大於10bar時，可以假設感應器以液體運作或壓力經由液體傳輸/引導至感應器。在這種情形下，封裝方式必須符合嚴苛的媒介抗性需求。在壓力小於10bar的應用中如檢測感應道內的氣壓(MAP)或絕對氣壓(BAP)時，採用凝膠塗布的封裝方式足以符合需求。
英飛凌在相關應用的製程採用0.5微米(μm)雙極互補式金屬氧化物半導體(BiCMOS)技術，經認證可用於汽車應用。壓力感應器本身是以電容檢測原理(表面微機電技術)為基礎(圖2)，意謂環境媒介的壓力變化會導致電容變動，進而改變感應器的輸出訊號。為了轉換壓力的物理變量，密封的凹洞上方設計了壓力膜片。也因此，基板上電容器的較低電極上方會形成場氧化層(Field Oxide)。
在下一個製程中，氧化層的表面將塗布摻雜的多晶矽層(Polysilicon)，形成電容器的輔助電極。完成此層結構後，在下一個製程中，即可使用氫氟酸以濕式化學蝕刻移除下方的場氧化層(犧牲層)。在最終製程中，則將結構完整且獨立的多晶矽層封起。透過此方式，即可在界定的壓力下將凹洞完全密封。
感應器的靈敏度主要取決於感應器配置的幾何參數，包括膜片的直徑和厚度，以及凹洞的高度。加壓時，可動的膜片會偏斜，使電容改變。為了提升訊號強度，於是設計大量的膜片並平行連接。在這裡，兩個場區具壓力敏感性，而另兩個場區則作為參考用。感應器訊號是由壓力敏感場區和參考場區的差異所形成。訊號的類比轉數位過程，完全在晶片所內建之信號處理程序中進行。如此一來，可確保同時提供極佳的訊號雜訊比和高精確度。
為了確保在汽車工程的高量應用中能夠降低感應器安裝成本，壓力感應器採用特殊開發的表面黏著元件(SMD)封裝。此塑膠外殼擁有八根接腳，且向上開口(圖3)。在接合並以金線接觸感應器晶片之後，使用矽凝膠加以覆蓋。欲檢測的周遭氣壓能經由凝膠傳輸至感應器表面。此外，它還可保護晶片不受外在環境的影響。此封裝方式是針對自動化印刷電路板(PCB)裝配而設計，優於一般的封裝方式(成本優勢)。
高度整合壓力感應器 開創汽車工程新應用
本文將透過最新的應用實例，說明此類高度整合壓力感應器如何用於汽車工程的最新應用領域。
‧ 偵測側撞的壓力量測
由於側撞的交通事故及受傷的客車乘客數逐漸增加，現在關於側撞衝擊測試的指導方針已有所修改，在側撞偵測方面的要求更為嚴格，目標是感應器系統要能在極短的時間內，可靠地偵測撞擊的嚴重性。
原來的側撞測試方式，是使用大小相同的障礙物同時碰撞汽車的車門和側邊平行的B柱(B-pillar)(ECE-R95、96/27/EG、Euro NCAP、IIHS及FMVSS 214)，也就是撞擊脈衝會直接傳送至汽車的B柱。如此一來，安裝於此處的加速度感應器(圖4)將可快速偵測到撞擊，傳送資料、啟動安全系統。然而，市面上有愈來愈多的多功能運動休旅車(Sport Utility Vehicle, SUV)，其車體結構較高，在側撞事故中引發的意外類型也有所不同，傳統的側撞測試不足以因應。在SUV的碰撞事故中，愈來愈多實例顯示撞擊只發生在車門而非整個車體側面，也就是並未碰撞到B柱。因此，此類意外導致側撞測試指導方針必須因應修改(FMVSS 214 NPRM)。
加速度感應器的優先安裝位置在B柱，因而在此情況中反而不利偵測，要到撞擊發生後一段時間才能做出反應。另一個偵測側撞的方法是使用壓力感應器。由於側撞會使車門變形，因此會在車門凹陷處產生壓力，而位於車門凹陷處的壓力感應器就可以檢測到此壓力脈衝。
首先，此方式可大幅縮短確實決定啟動安全系統所需的時間。再者，壓力感應器輸出訊號的特性可以輕易分辨真正的碰撞和不相關的脈衝。由於壓力固定散布於車門內的空間，使用壓力感應器偵測側撞的另一個優點，就是整扇車門可當作感應元件。因此，輸出訊號和車門遭受撞擊的特定點無關，而是完全取決於撞擊的應力。如此一來，關於車門內感應器位置及所採用之安裝技術，就還有壓力感應器的輸出不受這些因素影響的優點。最新的側撞防護系統是由壓力和加速度感應器共同組合而成，以同時利用兩種感應器特性的優點。
‧ 用於引擎管理的氣壓檢測
為了更有效控制燃燒過程，愈來愈多汽車製造商採用能夠更準確檢測物理參數的感應器。正因如此，德國得以降低油耗，從1980年代約10公升/100公里降至近年約7公升/100公里(從約24哩/美制加侖到約34哩/美制加侖）。此外，從1992年起，歐洲約每4年即實施新的廢氣排放控制標準，以減少汽車的廢氣排放污染。此實例說明在引擎管理方面，已建立極穩固的應用。進氣歧管絕對壓力(Manifold Absolute Pressure, MAP)應用的壓力感應器，可檢測空氣感應道內的壓力，以及此值所產生的空氣量。此來自絕對氣壓(BAP) 感應器的感應器資訊及資料，為空燃混合提供重要的資訊，進而有效降低廢氣排放量。
MAP及BAP感應器的市場已經成熟。在2008 年，MAP感應器的全球需求約四千萬個，而 BAP感應器的全球需求則約兩千萬個。預估此市場每年的成長率為3%。
‧ 胎壓監測系統
胎壓監測系統(TPMS)應用預期將會有極高的市場成長率。雖然此領域的壓力感應器在2001年的全球需求水準仍維持在約三百萬個，但在2010年底前將可能增加至一億個。這種超高的年成長率，主因來自於美國所通過的法令。美國在2000年夏天，頻頻傳出因爆胎所造成的致命事故。因此法令要求所有新車須配備胎壓流失警告系統(NHTSA最終判定規則)。同樣的，此應用在歐洲也逐漸獲得重視，而且由於這能使行車舒適安全，中型汽車也正考慮採用。圖5說明胎壓監測系統使用之新型壓力感應器的配置。
除了胎壓之外，感應器也同時檢測車胎的溫度及感應器模組的電池電壓。加速度感應器會監控系統，若由靜止狀態有所動作則加以回報。若汽車有一段時間未動作而進入節能狀態，現在又想重新啟動系統，則加速度感應器的回報動作至關重要。在此應用中，電池必須擁有10年以上的壽命。訊號的接收由中央接收單元處理，除了TPMS訊號外，還可接收和處理常見的遙控車門開關(RKE)應用訊號。
圖6說明TPMS感應器的配置。這裡所使用的感應器技術與表面微機電技術有所不同，其製程不只在晶片表面，也同時應用於底部(體型微機電技術)，以達成圖6所示的配置。此技術的優點在於結構特別穩固，能夠承受高侵蝕性媒介的作用。在此情況中，通過壓力入口(Pressure Inlet)的媒介所接觸到的是穩固的矽膜片，而不是感應器電子元件。若能發展及掌握表面及體型微機電的技術、應用在高度整合的壓力感應器上，就汽車應用而言除了能降低成本，也有潛力能夠建置十分節省空間的複雜系統。
藉由各種應用領域及不同市場成熟度的實例，本文說明了此類壓力感應器已經完善地應用於汽車內，並成為未來應用必不可少的要素。整體而言，汽車應用感應器發展的未來趨勢及主要需求將包含高可靠性、低系統成本、嚴格作業條件、節省空間、高度精準等領域。這些需求會持續推動汽車感應應用領域的發展，特別是以上提及的壓力感應技術。而在技術進步的支持之下，上述領域正逐漸獲得重視並實行。
(本文作者為英飛凌應用工程/感應暨控制部門總監)