PoveĊanje izkoristka pri proizvodnji piezouporovnih senzorjev tlaka za avtomobilske aplikacije

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

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

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

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

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

Karakteristike senzorjev tlaka Napaka umerjanja izhod Izraža se kot sistematska napaka A - 2 A 2 želena karakteristika napaka umerjanja A a 1 1 0 a s karakteristika po umerjanju 1 2 s stimulus

Karakteristike senzorjev tlaka Napaka nelinearnosti Izhod Zunanji točki Stimulus

Karakteristike senzorjev tlaka Zasičenje izhodnega signala izhod stimulus linearni odziv nasičenje

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)

Uizh (mv/v) Uizh(V) Temperaturna karakteristika 60 50 40 Napajanje mostiča (VB=5V) -40 C +25 C 5 4 3 Napajanje senzorja (Vcc=5V) -40 C...125 C 30 +125 C 2 20 Ničelna napetost 1 10 0 20 40 60 80 100 Tlak (kpa) 0 0 20 40 60 80 100 Tlak (kpa)

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

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

Primer analognega senzorskega ojačevalnika

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

Popolnoma digitalna vezja za umerjanje (ZMD31020)

Postopek umerjanja MAP senzorja T T 1 2 2 2 10 10 OC V offsett 1 0,98V 16 V temp VoffsetT 1 0,98V 16 T T T 2 1 p 12 1 2 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

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

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

Izdelava MAP senzorja

Zaščita pred vplivi medija

Končan izdelek

Sorodni izdelki

Sestavni deli MAP senzorja Možna vezja za digitalno umerjanje ZMD 31020 ZMD 31050 Melexis: integriran s senzorsko tabletko Senzorska tabletka Pasivne komponente Substrat Ohišje in zščita

Senzorska tabletka

Tehnološki koraki pri izdelavi MAP senzorja Keramični substrat

Montaža senzorske tabletke

Bondiranje in zalivanje

Predtest, umerjanje, končni test

Montža kontaktov

Montaža v ohišje

Zapiranje ohišja

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

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?

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

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 00 01 02 N X N X N X 1 S( M PC ) C00, i C10, i CNP 0, i N X i1 i1 i1

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

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

Izločanje in nadomeščanje Predtest Slabi? Zamenjava Znano dobri kosi Umerjanje

Koraki umerjanja MAP senzorja Številka koraka Operacija Potreben čas (min) 1 Začetna nastavitev 2 2 Predtest 2 3 Stabilizacija pri T 1 15 4 Meritev pri p 1 1 5 Meritev pri p 2 1 6 Meritev pri p 3 1 7 Kalibracija DAC 3 8 Stabilizacija pri T 2 15 9 Meritev pri p 1 1 10 Meritev pri p 2 1 11 Meritev pri p 3 1 12 Kalibracija DAC 3 13 Stabilizacija pri T 3 15 14 Meritev pri p 1 1 15 Meritev pri p 2 1 16 Meritev pri p 3 1 17 DAC kalibracija 3 18 Vpis v trajni spomin 1 19 Končni test 4

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 80 200 70 60 Čas(min) Strošek 180 160 140 50 120 40 100 30 80 20 60 40 10 20 0 0 Dva možna trenutka za izvajanje n aprednega predtesta Koraki umerjanja

Optimizacija postopka (min/senzor) Bolj kompleksno 200 Potreben čas za en senzor Cena/kompleksnost sistema za umerjanje 20 2 1 1 10 100 1.000 10.000 Hkratnih umerjanj Optimalna velikost

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

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

Oprema za umerjanje MAP senzorjev

Oprema za umerjanje in testiranje

Rezultati Ničelna serija C 00 C 01 C 02 Povprečje 369.37 1870.61 1169.02 Standardna deviacija 2.10 3.21 2.53 Varianca vzorca 4548.01 10622.37 6602.36 Obseg 550 708 632 Maksimum 637 2217 1477 Minimum 87 1509 845

Frequency Histogram koeficientov C00 Histogram 350 300 250 200 150 100 50 0 87 142 197 252 307 362 417 472 527 582 637 Bin

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

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%

19970 19973 19979 19981 19986 19987 19989 19991 19995 19996 20030 20034 20039 20071 20072 20100 20116 20129 20165 20168 20170 20179 20191 20259 20261 20270 26659 26660 26661 26663 26664 26665 26666 26667 26668 26688 26695 26696 26698 26699 26700 26701 26702 Simulacija rezultati kriterija korelacije (22 od 43) Zaradi nazornejšega prikaza uporabimo: R( C, C ) 1000 1 r( C, C ) R PCX R PCX Vrednost R 10.000 9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0.000 ID senzorja

19970 19973 19979 19981 19986 19987 19989 19991 19995 19996 20030 20034 20039 20071 20072 20100 20116 20129 20165 20168 20170 20179 20191 20259 20261 20270 26659 26660 26661 26663 26664 26665 26666 26667 26668 26688 26695 26696 26698 26699 26700 26701 26702 Vrednost C2,0 Simulacija rezultati kriterija ujemanja (13 od 43) C2,0 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 ID Senzorja

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 %

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

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

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 13832 senzorjev je omogočila 99,1 % Brez uporabe naprednega predtesta bi bil le 93,4 %

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