PoveĊanje izkoristka pri proizvodnji piezouporovnih senzorjev tlaka za avtomobilske aplikacije

Transkripcija

1 Povečanje izkoristka pri proizvodnji piezouporovnih senzorjev tlaka za avtomobilske aplikacije Magistrsko delo Avtor: Marko Pavlin, Mentor: prof. dr. Franc Novak

2 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

3 Silicijev senzor tlaka R 1 Tanka membrana R4 Membrana R2 4 upori Wheatstonov mostič R 3 R R l l t t Tlak R4 R1,R3 R2 Membrana Podstavek: Pyrex ali Silicij Luknja za tlak od spodaj

4 Karakteristike senzorjev tlaka Prenosna funkcija Vhodni razpon (polni vhodni obseg) Izhodni razpon (polni izhodni obseg) Točnost Kalibracija Napaka umerjanja Histereza Nelinearnost Zasičenje in omejitev izhodne vrednosti Ponovljivost Ločljivost Izhodna upornost Dinamična karakteristika

5 Karakteristike senzorjev tlaka Prenosna funkcija Vhodni razpon (FS) Izhodni razpon (FSO) Merilni pogrešek (d) S m Izhod 100% Idealna prenosna funkcija Predpisane tolerančne meje +d S FS Tolerančni pas Y Z Y Z Z Dejanska prenosna funkcija 0 X X d Razpon FS S

6 Karakteristike senzorjev tlaka Napaka umerjanja izhod Izraža se kot sistematska napaka A - 2 A 2 želena karakteristika napaka umerjanja A a a s karakteristika po umerjanju 1 2 s stimulus

7 Karakteristike senzorjev tlaka Napaka nelinearnosti Izhod Zunanji točki Stimulus

8 Karakteristike senzorjev tlaka Zasičenje izhodnega signala izhod stimulus linearni odziv nasičenje

9 Metode umerjanja senzorjev tlaka Neželene vplive lahko v grobem strnemo v tri skupine: Relativno velik in izrazito nelinearen vpliv temperature Občuten ničelni izhodni signal (tudi do 100 % polnega obsega) Velike spremembe ničelne napetosti s spremembo temperature (vpliv ohišja)

10 Uizh (mv/v) Uizh(V) Temperaturna karakteristika Napajanje mostiča (VB=5V) -40 C +25 C Napajanje senzorja (Vcc=5V) -40 C C C 2 20 Ničelna napetost Tlak (kpa) Tlak (kpa)

11 Topologije vezij za umerjanje senzorjev Dve veliki skupini Analogna vezja temperaturno spremenljivi upori, analogni ojačevalniki lasersko trimanje Digitalna vezja Vpliv na analogni signal z digitalnimi, programirljivimi vezji Popolnoma digitalizirana kompenzacija

12 Primer analogne temp. komp. * lasersko doravnani upori * R TH * U izh U vh * mostič *

13 Primer analognega senzorskega ojačevalnika

14 Digitalna kompenzacija z analognim senzorskim signalom Unap Povezava na zunanji EEPROM Temp. odvisna napetost Uref za DAC Im Um T ADC Digitalni vmesnik 16 DAC za temp. kompenz. občutlj. DAC za temp. kompen z. ničenja Uizh Usen PGA S A = 1

15 Popolnoma digitalna vezja za umerjanje (ZMD31020)

16

17 Postopek umerjanja MAP senzorja T T OC V offsett 1 0,98V 16 V temp VoffsetT 1 0,98V 16 T T T 2 1 p vv 0,96V V offsetp DDA V SA C v V 12 sensor V offsetp p2 2 C 0,96V VDDA VSA 12 vv sensor poc p2 p1 2 0,96V VDDA VSA Z kp a a p a T a T 2 2 OC 0 1 OC 2 OC 3 OC 2 a4 a5toc a6toc

18 Izračun kalibracijskih koeficientov Rešiti moramo sistem enačb: Z Z Z Z Z Z Z 2 2 OC OC 00 2 OC 0 3 OC 0 2 a4 a5toc 0 a6toc OC OC10 2 OC 0 3 OC a4 a5toc 0 a6toc OC OC 20 2 OC 0 3 OC a4 a5toc 0 a6toc 0 0 kp a a p a T a T kp a a p a T a T kp a a p a T a T kp a a p a T a T 2 2 OC OC 01 2 OC1 3 OC1 2 a4 a5toc 1 a6toc 1 kp a a p a T a T 2 2 OC OC 21 2 OC1 3 OC1 2 2 a4 a5toc 1 a6toc 1 kp a a p a T a T 2 2 OC OC 02 2 OC 2 3 OC a4 a5toc 2 a6toc 2 kp a a p a T a T 2 2 OC OC 22 2 OC 2 3 OC a4 a5toc 2 a6toc 2 0

19 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

20 MAP senzor kaj to sploh je? V cc V B = V T (T) V T Sensorski mostič PGA V p MUX 12 bit ADC 11 bit DAC AMP V OUT Nastvljanje ojačenja Mikrokontroler (16 bit RISC) Digitalne linije Senzorska tabletka ZMD31020

21 Izdelava MAP senzorja

22 Zaščita pred vplivi medija

23 Končan izdelek

24 Sorodni izdelki

25 Sestavni deli MAP senzorja Možna vezja za digitalno umerjanje ZMD ZMD Melexis: integriran s senzorsko tabletko Senzorska tabletka Pasivne komponente Substrat Ohišje in zščita

26 Senzorska tabletka

27 Tehnološki koraki pri izdelavi MAP senzorja Keramični substrat

28 Montaža senzorske tabletke

29 Bondiranje in zalivanje

30 Predtest, umerjanje, končni test

31 Montža kontaktov

32 Montaža v ohišje

33 Zapiranje ohišja

34 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

35 Predtest Preračun Postopek umerjanja - podrobno Senz. tabletke Substrati Montaža Kalibracija Zapiranje v ohišje Končni test ASIC Temperaturni prehod Tlačni prehod 1 Tlačni prehod 2 Tlačni prehod 3 Proizvodna baza (MySQL) Funkcionalni predtest Napredni predtest Sortirni algoritem

36 Izboljšava napredni predtest Izdelava MAP senzorja Montaža komponent Nastavljanje temperaturne točke Izračun in vpis Nastavljanje Tlačne točke Podatkovna baza Funkcionalni predtest Zajem merilnih rezultatov Vstavljanje v ohišje Napredni predtest Vse tlačne točke? Končni test Vse temperaturne točke?

37 Algoritem razvrščanja naprednega predtesta Imamo poenostavljeno prenosno funkcijo, ki velja le za sobno temperaturo: 2 F( x, x ) C x H x H p T p,0 p i T 0 i0 i

38 Referenca Iz podatkovne baze dobrih senzorjev M PC C C C C C C C C C 00,1 10,1 20,1 00,2 10,2 20,2 00, N 10, N 20, N X X X C C C C R N X N X N X 1 S( M PC ) C00, i C10, i CNP 0, i N X i1 i1 i1

39 Korelacijski kriterij Na začetku določimo mejo za razvrščanje: PC Stalno popravljanje meje r( C, C ) R PCX PC

40 Ujemanje koeficientov Soležni koeficient neznanega senzorja mora ležati znotraj tolerace PC. C (1 ) C C (1 ) PCMAX PC Xi 0 PCMAX PC MAX

41 Izločanje in nadomeščanje Predtest Slabi? Zamenjava Znano dobri kosi Umerjanje

42 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

43 Koraki umerjanja MAP senzorja Številka koraka Operacija Potreben čas (min) 1 Začetna nastavitev 2 2 Predtest 2 3 Stabilizacija pri T Meritev pri p Meritev pri p Meritev pri p Kalibracija DAC 3 8 Stabilizacija pri T Meritev pri p Meritev pri p Meritev pri p Kalibracija DAC 3 13 Stabilizacija pri T Meritev pri p Meritev pri p Meritev pri p DAC kalibracija 3 18 Vpis v trajni spomin 1 19 Končni test 4

44 Zagon Predtest T1 stabilizacija P1 meritev P2 meritev P3 meritev DAC kalibracija T2 stabilizacija P1 meritev P2 meritev P3 meritev DAC kalibracija T3 stabilizacija P1 meritev P2 meritev P3 meritev DAC kalibracija Vpis v EEPROM Končni test Kumulativni čas (min) Kumulativni strošek za saržo ( ) Primeren trenutek Čas(min) Strošek Dva možna trenutka za izvajanje n aprednega predtesta Koraki umerjanja

45 Optimizacija postopka (min/senzor) Bolj kompleksno 200 Potreben čas za en senzor Cena/kompleksnost sistema za umerjanje Hkratnih umerjanj Optimalna velikost

46 Učinkovitost N A N C N 0 Sestavljeni kosi Umerjanje N FC N FA Odpovedi po sestavljanju Odpovedi po umerjanju

47 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

48 Potrebna oprema Vir tlaka Temperaturna komora Vmesnik za komunikacijo med MAP in PC Več kanalni digitalni multimeter Digitalni vmesnik za hitri test Pnevmatska in električna priklopna mesta Programska oprema za zajem meritev, izračun, shranjevanje in vpis rezultatov

49 Oprema za umerjanje MAP senzorjev

50 Oprema za umerjanje in testiranje

51

52

53

54

55

56 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

57 Rezultati Ničelna serija C 00 C 01 C 02 Povprečje Standardna deviacija Varianca vzorca Obseg Maksimum Minimum

58 Frequency Histogram koeficientov C00 Histogram Bin

59 Izmet ničelne serije Vseh: NA = 1088 Funkcionalni predtest: NF = 11 Po umerjanju: NFC = 43 N A N C N 0 Sestavljeni kosi Umerjanje Y A NFC 100% 96% N N A F N FC N FA Odpovedi po sestavljanju Odpovedi po umerjanju

60 Analiza izvedljivosti napredne metode s simulacijo na ničelni seriji Simulacija korelacijskega kriterija Med 43 izločenih še 22 (za 50% manj izmeta) Simulacija kriterija ujemanja Med 43 izločenih še 13 slabih Oba kriterija se prekrivata Povečanje izkoristka (simulacija): Iz 96% na 99,2%

61 Simulacija rezultati kriterija korelacije (22 od 43) Zaradi nazornejšega prikaza uporabimo: R( C, C ) r( C, C ) R PCX R PCX Vrednost R ID senzorja

62 Vrednost C2,0 Simulacija rezultati kriterija ujemanja (13 od 43) C2, ID Senzorja

63 Vsebina Uvod in teorija o senzorjih tlaka Senzorji tlaka za avtomobilske aplikacije Postopki umerjanja senzorjev tlaka Optimizacija postopka umerjanja Oprema za umerjanje senzorjev tlaka Rezultati, diskusija Zaključki

64 Zaključki analize na ničelni seriji (1088 kos) Samo s preprostim predtestom lahko izločimo 96 % slabih senzorjev pred postopkom umerjanja. Uporaba naprednega postopka izločanja poveča delež izločenih slabih senzorjev na 99,2 %

65 Časovna analiza Nov postopek doda v povprečju: 940ms po izdelanem dobrem kosu Dodatna zakasnitev je zanemarljiva v primerjavi s sicer potrebnimi časi

66 Izboljšave Povratna zveza za samoučenje in sprotno nastavljanje kriterijev Boljše metode razvrščanja in postavljanja kriterijev Upeljava takih postopkov v začetnejše faze, s čimer še bolj zgodaj odstranimo vzroke za izmet

67 Zaključek Večji izkoristek proizvodnega procesa pomeni manjše stroške Za izkoristke, ki so blizu 100 %: Čim boljši pogoji in kakovost v proizvodnji Stalne izboljšave Naprednejši prijemi Uporaba naprednega predtesta pri izdelavi senzorjev je omogočila 99,1 % Brez uporabe naprednega predtesta bi bil le 93,4 %

68 Zahvala Ime Zaposlen Vrsta pomoči prof. dr. Franc Novak IJS»Pograbil«osnovno idejo usmerjal skozi celotno delo konstruktivno priganjanje Janez Gramc Ves čas bil pripravljen pos lušat»nore«ideje in podati koristna mnenja Boštjan Hudoklin Priprava vzorcev Pomoč pri izvajanju in pripravi meritev pregled merilnih rezultatov Matej Možek FELJ Potrditev osnovnih idej koristni nasveti okrog umerjanja avtor kalibracijske programske opreme in elektronike pomagal pri matematičnih modelih Slavko Klobučar Sestavil module za kalibracijo sestavil in preizkusil univerzalni kalibracijski modul Sandi Kocjan Koristni napotki skozi celotno delo dr. Marina Santo Zarnik Hipot RR Simulacija lepljenja tabletk dr. Uroš Mali Rehar Tomaž Franc Urbanč Silica Za dobavo brezplačnih vzorcev pri izdelavi modulov za umerjanje Pomoč pri razvoju RTOS aplikacije za kalibracijske module Robi Rostohar ARM Slovenia Pomoč pri razvoju programske opreme za ARM7, ko se je zataknilo pri USB povezovanju Darja Vrevc Pavlin Mi je stala ob strani, tudi ko sem že sam obupoval