图十三 柔性压力传感器简支梁叠层结构
⑤装配精度要求不高,生产成本低。
⑥具有正向压阻效应,输出线性度高。
⑦压力承受能力极高,不易损坏。
⑧技术成熟稳定,已在各类全球知名电子产品品牌中累计生产数亿片,经受过大批量产业化验证和技术迭代。
⑨多传感器应用中,传感器可共用一颗专用芯片,总体成本低。
4.5.3 常见问题/FAQ
以下列举针对于该传感技术的部分常见问题,以供参考:
1. 如何考虑高低温、剧烈振动情况所带来的PCB材料、胶水材料、压感传感器、外壳材料等形变问题而产生的数据误判问题?
a) 本方案所选用的传感器在材料选择上规避了具有较强粘弹性属性的高分子材料,可有效控制振动和高低温等环境变化带来的影响。同时,针对温度冲击对压感误报影响,在算法和方案层面也做了双重优化,即,通过实时基线追踪修正所有相关环节带来的漂移,可有效规避温度冲击带来的误报。整个实现方案,从传感器材料选型和设计到芯片的硬件电路设计再到算法,全部都有相应原创专利技术保障整体方案在环境变化方面的高可靠性。
b) 关于机械振动给PCB材料、胶水材料、压感传感器带来的影响主要体现在金属疲劳和信噪比方面。金属疲劳主要集中在焊锡上,这一点汽车电子已经广泛使用,非常成熟。信噪比方面主要是通过芯片内部实现的超低噪声信号调理电路,共模抑制电路及小信号放大电路予以保障,积分噪声低至10nV√H z,外加全链路22bit的有效分辨率,确保了整个信号链路的高信噪比性能。
2. 如何考虑生产过程装配的一致性,品控保证,测试方案,良率问题?
量产装配制程必然会带来物理一致性问题,本方案所选用的传感器在其他各类产品上已积累大量量产经验。累计数量超亿片,主要集中在如下两点:1)关注方案设计及制造因素,提前优化设计制造细节要点,保障物理一致性及方案信噪比均值,同时关注制造过程中相应细节实施。2)产线实施校准措施,软件补偿物理一致性。泰矽微会协同传感器厂商全程协助做好以上两点的保障,确保量产过程整体一致性。
3. 压力方案所带来的可能失效的边界问题;
压感失效可能如下:
a) 方案问题,比如方案理论信号量均值偏低,主要通过理论仿真和实验测试规避,泰矽微会协助每个客户的每个项目进行相关仿真和方案推荐。
b) 制造问题,主要通过理论分析优化提前预警,提出设计要点规避。同时,制造环节把控这些干扰项。
c) 可靠性问题,关于这一点主要两方面。1)方案设计,确保设计合理,规避风险。2)通过前期功能机进行相关合理测试验证。
4. 压力传感器的线性度如何,温度变化是否会影响压力传感器的工作
本方案采用的压力传感器线性度很好,传感器输出的差分电压值跟压力形变具有标准的线性特性。温度变化确实会对压力传感器的静态底噪,还有压力和形变的斜率关系造成影响,但影响不了线性特性,只是对应的斜率会有变化,这个需要MCU在压力传感器的算法里面根据温度的因素去做动态调整。另外温度变化有时也会引起结构件的形变,会被反映到压力传感器上,导致传感器原始数据的底噪整体被提升或者被降低,可在与之配套的MCU在底噪触发特定阈值的时候进行offset自动动态调整。
5. 压力传感器的灵敏度如何,是否需要每个按键的位置都配置一个压力传感器,如何评估具体方案中需要多少颗压力传感器
该压力传感器灵敏度很高,典型值为7000uV/m-1,最大变形曲率1.1 m-1,能够检测到微米级别的形变。无需每个按键位置配备一颗芯片进行检测,通过结合电容触控技术,可以做到多个按键共享一颗压力传感器,多个传感器共用一颗专用MCU,尤其适合智能表面应用,具体选用颗数,摆放位置及安装方式等需经过结构仿真最终得出结论。泰矽微全程协助客户进行仿真和方案开发直至量产。
4.6 各压力传感检测技术方案特性对比分析:
表一:压力传感检测技术特性对比
5.泰矽微双模3D触控方案介绍
本篇前文分析了传统电容触控方案在汽车人机交互应用中的局限性,分析了不同压感技术的优缺点,从中不难得出如下两个结论,1)越来越多的汽车内外饰的智能触控和智能表面需要结合多种触控技术来实现更多更可靠的交互功能;2)电容触控和基于惠斯通电桥原理的压力传感技术融合方案在目前阶段是最优组合。通过压力传感可以非常可靠的识别按压动作,我们称之为Z轴触控,同时,通过电容触控来标定按压的精确位置,称之为XY轴。通过两者融合形成XYZ三轴形成的3D触控方案。
图十四 3D触控示意图
5.1 泰矽微3D触控芯片TCAE31A介绍
基于如上融合方案需求,泰矽微于2022年3月发布了业内首颗车规级双模人机交互芯片TCAE31A,在单芯片内同时集成了电容触摸和压感技术,实现了真正意义上的3D触控。方案一经推出就获得了市场高度关注与青睐,并逐步进入多个主流汽车主机厂的定点项目中。
图十五 TCAE31A芯片结构框图
TCAE31A的产品特性如下:
- 基于Arm® Cortex®-M0 内核,工作主频高达32MHz,芯片内部集成64KB Flash 和 4 KB SRAM
- 基于自有专利技术Tinywork®,实现外设之间的信号联动,可以大大降低应用方案的动态功耗
- 超低功耗设计,静态功耗低至3uA,单通道压感平均功耗低至18.7uA
- 单芯片可实现2路压感 10路电容触摸通道,并具备可扩展性
- 内置专利技术的压感和触摸融合算法
- 信号链有效分辨率高达22位,可提供高灵敏度,高分辨率,高信噪比及高线性度的压力传感检测
- 支持LIN通信协议栈
- 支持基于UDS的bootloader升级方案
- 8kV HBM ESD
- 满足AEC-Q100 Grade 2(-40℃~105℃)
- QFN28 4mm*4mm*0.75mm封装
5.2 基于TCAE31A的生态系统介绍
TCAE31A提供标准的EVK开发套件,完整的SDK开发包,包括数据手册,用户手册,驱动,样例,KEIL Pack包,PC端调试工具等。即使从未接触过压力感应和电容触控技术的嵌入式工程师,也可以在非常短的时间内完成一个高质量的产品应用开发。SDK软件架构如图十六: