在感測器設計工程師所面臨的幾個較具挑戰性的工作中，汽車市場應用可靠穩固壓阻式感測器的設計與製造可以說是較為艱鉅的任務，經過多年的嘗試錯誤與修正，工程師們已開發出適合汽車應用的實用做法與技術，為了幫助並啟發在這項技術上努力的工程師們，本文將討論幾個設計上的訣竅以供參考。

同樣可以應用常見的80～20法則，產品最終成本的80％是由設計初期20％的努力決定，因此能事前了解所需的最佳實際設計做法將可把成本降到最低，同時改善針對嚴格車用環境所設計穩固PRT壓力感測器的成功率。

車用環境嚴苛

如果從未設計過這類感測器，首先就應該先參考最近的車型，並仔細研究它引擎的部分，包括各式各樣的接線、管路、連接器以及引擎室感測器可能面臨的最嚴苛環境，思考一下，附著在引擎上的感測器會在超過100℃的溫度工作時突然面臨劇烈溫度變化，並且可能瞬間受到70mph速度的泥濘鹽水噴濺的情形，這類環境的其他特性也相當嚴苛：

雖然位於車室內的感測器較少受到液體以及溶劑的困擾，但卻還是會面臨低溫、水分與EMI的問題：

不過在這兩種環境中，感測器都應該擁有：

為確保感測器能符合客戶在效能上的期待，它的規格以及相關測試文件應該要符合代表性的壓力與運作環境，必須記住，這些只是感測器所面臨運作環境的代表，成功的設計必須仰賴經過驗證的概念、材料以及電路，例如引擎蓋下的任何連接器都代表了設計、材料以及量產技術上數十年的工程努力，同樣地，在幾年前受到最新量產車型所採用的感測器也非常適合做為檢討的目標，可以研究它們所使用的技術、採用的材料甚至是組裝的方式。

汽車維修指南大多會標示出目前汽車中的感測器與連接方式，例如較新車型的汽車手冊也都可以從大部分的經銷商或汽車零件銷售商取得，請參考圖二，它們通常會包含接線圖、照片以及連接線路電壓等資訊，當然也可以向汽車零件商購買感測器，將它拆解研究並探討為什麼會以這樣的方式設計，向身邊的汽車設計專家討教，並思考他們的意見，和黃金守則間的差異、實際的證據以及相關的資料，同時並思考客戶所提出的新要求、想要達到什麼樣的效能、成本及可靠度，而這些要求是否符合目前正在使用設計的邏輯進程，透過這樣的方式將可以幫助打開視野，取得創新的思考。

在解決現有設計的問題時，可以藉由再次研讀規格並了解運作環境而獲益，對典型的車用感測器來說，有幾個規格相當重要，請參考圖三。我們必須思考，這個問題是否和特定的規格或測試有關？如果可能，盡量寫下有關於研究努力的明確描述，記住，要針對特定的問題，並記錄顯示良好或不良，或者是有問題或沒問題的詳細資料，特殊的異常現象以及影響努力的人為因素都應該加以記錄，並找出它們的關聯性，再逐一歸檔，也就是說，應該要儲存這些情況並在進一步研究時加以涵蓋，將它們標記為不明原因 ，或者是暫時加以擱置以便稍後進行研究，對現有元件進行探討的主要理由在於設計問題、生產問題以及規格相對於實際使用的問題。

如果設計並不穩固，就可能無法滿足客戶的期待，例如，在溫度升高時黏著力會降低的晶片黏膠在震動時可能就無法提供將晶片黏貼在固定位置的強度，或者是電路的設計無法承受汽車組裝或行駛時的靜電放電（ESD）衝擊，在以上的兩個例子中，系統都有可能在經過品質驗證與設計確認的壓力測試後在實際使用現場發生失效，請記住這個統計數字，只有少數被選中的元件會進行設計穩固度測試，但更有數百、數千甚至數百萬顆元件則是依照相同的方式生產，然後在使用現場才加以測試，大部分的設計問題都能夠透過謹慎的設計檢視以及合理的模擬來加以避免。

一個感測器設計上的關鍵守則是找出所有重要的特性，例如如果能夠確實遵守規格來實現就可以取得完美運作的功能特性，這些特性必須在生產時使用統計製程管制（Statistical Process Control；SPC）來加以追蹤，對於穩定的生產流程，如果我們可以確保每個重要特性都能夠符合統計製程管制所設定的限制，就可以不用進行測試，統計製程管制限制和規格限制間有相當大的差異，如果這些重要特性都符合規格，那麼進行感測器的測試可以說是浪費時間。

但是實際運作的考量有時候會迫使我們必須對感測器進行測試，對感測器進行壓力與溫度效能的調校通常比對每個子生產線要求達成隨意組裝（blind assembly）並交貨程度的目標要來得更有成本效益，因為製造商永遠不可能達到100%完全沒有問題，就算是每次都持續改進也一樣，因此了解重要特性並透過統計製程管制來加以追蹤將可以降低測試與調校的需求，因而改善出貨速度、良率以及成本。

少了一個焊點，多成份環氧樹脂的不正確混合，或者是裝入超出規格的部件都可能會因為沒有符合原始設計的目的而影響所生產的元件，由於這類生產問題可能會在每天甚至每個小時發生數百次或數千次，因而造成設計、產品以及製程工程師必須晝夜趕工，甚至是週末加班待在生產線來協助解決問題，解決問題的速度相當重要，因為數百數千個組裝工人正在汽車生產線上等待，生產流程的中斷可能會造成一天百萬美元的昂貴成本。

一個主要汽車廠的行政高層表示，「對每個由消費者處所退還的不良品，通常在生產線上還有更多相同的淘汰產品。」生產線中的不良品是在生產測試以及檢驗過程中所發現的失敗品，這些不良品都是可測試參數不符合設計要求的產品，測試限制包括規格限制、不在可控制範圍內，或者是可重複性有問題。

到底有多少元件原本位於限制範圍但最後卻出現問題？更重要的是，為什麼它們在一開始可以符合限制要求？到底發生了什麼變化？品管大師戴明博士（W. Edwards Deming）終其一生持續研究這些問題，並透過在生產線整合統計製程管制帶來革命性的改變。[1]

接近於限制臨界點的零組件和正常的產品不同，同時也很有可能和原本的設計目的有所差異，但這樣的變化或差異是否穩定？會不會再隨著時間或溫度進一步變化，從而造成現場使用時的失效問題？如果每一個無法通過測試或檢驗的元件都能夠經過分析來找出失效的真正原因，就可以由源頭加以修正，達到穩定而且精細調整的生產流程，不良品區的每個元件都代表了一個製程變化、材料差異及尚未發現重大特性的證據。

其他失效還包括產品的定義以及實際使用的差異，例如一個規格為0到50psi的感測器在實際使用時卻處於60psi的環境下，那麼它的失效就可以被視為來自於定義不良的規格，以更精細的例子來描述，如果感測器是以汽車汽油和甲醇存在時的工作環境來定義，那麼設計驗證測試就會包含了在特定的時間、溫度情況下暴露於油氣以及甲醇的環境下來進行，但感測器卻在現場實際運作時卻因明顯暴露在油氣中而失效，但事實上是因環境中油氣與甲醇混合的比例對材料有所傷害，而非只有油氣或甲醇的單純環境，這就表示，用來描述實際使用情況的規格或測試定義中有漏洞或不正確，雖然感測器符合本身制定的規格，但是卻無法滿足客戶的期待。

解決設計難題

由於在許多情況下，要在感測器設計的後期解決規格定義與使用環境間差異的問題相當困難，因此必須詳細研讀規格以及測試要求，並注意感測器將會面臨的實際使用環境，對每個規格中的項目以及測試條件都應該思考為什麼它們會被加入，到底它要解決的是什麼樣的實際運作情況？如果沒有符合這個規格，那麼可能會發生什麼問題？

要解決設計與生產問題，建議導入知名的8D問題解決步驟，8D程序是幾年前由幾家主要汽車製造廠所發展出來，目的是提供找出問題來源並進行修正動作的一個有效方法，八個步驟分別為：

這個問題解決技巧可以排除個人看法以及直覺猜測，並導入事實與數據資料，福特汽車電子部門的品質管制執行總監曾經在一個8D檢討會議中說了一句相當知名的名言，「我們相信上帝，但除此之外我們只相信數據。」這個方法實際上相當有效，盡量讓問題的描述清楚簡單，甚至列出受到影響單元或汽車的序號，如果對流程或設計進行立即調整來做為控制品質的暫時性措施，那麼就應該將它們列為暫時性補救措施，同時暫時補救措施也應該要在找到永久排除對策後加以取代或補強。

問題來源是有關產生問題的設計、生產或者是規格與實際使用情形間差異最終且簡單明確的描述，在永久排除對策實際導入生產前必須先發展出驗證計畫，並且將它做為整體永久排除對策驗證程序的一部份，而防止再次發生則對避免同樣問題重複發生非常重要。

最後對團隊進行激勵，這個步驟相當簡單，但通常最容易被忽略，基本上它提供了兩個相當重要的結果，首先團隊被認可找出並解決了重要的問題，而激勵動作更代表了問題獲得解決，團隊可以鬆一口氣並且回到正常的工作任務。

這個問題解決流程對感測器產品以及生產流程而言都是一個相當有趣的發現之旅，如果我們保持開放的心胸來面對各種可能的情況，同時具備足夠的信心來承認我們並不可能每次都有答案，那麼每個問題都將成為一個相當有趣的自我教育經驗。

《圖一　汽車引擎旁的感測器可能面臨-40℃到150℃的溫度變化，大量水氣噴濺、液體溢出以及嚴重的機械震動。》

諾貝爾獎得主物理學家理察費蒙（Richard Feynman）對找出問題解答的樂趣做了以下的描述：「當我們對任何問題深入探討時，激動、敬畏以及神秘都會一再出現，當知識越來越深入時，更多有趣的神秘事物會吸引我們更加投入，但請不要在意答案所帶來的失落感，而是微笑並堅定地面對我們所發現的新事物，進一步找出前所未期的奇怪現象，帶領我們面對更另人驚奇的新問題以及神秘事物，而這實際上是一個相當狀觀的旅程！」[2]

對於PRT感測器材料，在感測元件與晶片上使用矽膠或其他保護塗層以及黏合用的環氧樹脂，我們提供了幾個建議，這些材料會在感測器生產時重複使用，在使用時需要對原始材料的特性、經過長時間使用後的特性變化，以及處理與混合時的注意事項有相當的了解，圖四為典型PRT感測器的組裝圖。

黏合用的環氧樹脂有許多不同的變化與組成，經常使用在PRT感測器組裝上的包括軟式橡膠材質黏劑、氰基丙烯鹽酸黏合劑、兩個環氧樹脂的混合以及矽膠式黏劑，不同材料的獨特特性可以用來解決機械應力、溫度、化學反應、生產以及成本的各項問題，而所需的抗化學反應能力要求則依黏合物質是否暴露在周遭環境以及本身內容物或者是要測量的壓力媒介而定，其中溫度的考慮並不能局限於工作時，而必須同時考慮到生產、儲存、運送以及下一個階段組裝時的問題，通常最重要的參數是黏合材料對PRT元件所造成的機械應力。

我們要考慮的不僅是黏合材料、基體以及PRT元件不同的溫度係數，同時還必須包含會因溫度造成不同機械特性的許多矽膠以及環氧樹脂材料，所面對的材料會在玻璃轉移溫度（Glass-Transition Temperature）Tg時造成這些特性發生變化[3]，超出這個溫度材料會傾向變硬，並極可能造成溫度擴張係數的降低，在低於這個溫度時，它們的材質可能會更加柔軟同時滑順。

這個特性通常會在偏移或者是靈敏度相對於溫度的測量上形成一個弓型曲線，如圖五，當由最低到最高溫度架構一個溫度步階特性圖時就會相當明顯，由於任何曲線上的扭曲就表示在材料在特性上發生了變化，因此在實際設計時必須採用兩種不同的材料，如果這樣還不足以解決問題，玻璃轉移溫度可以由兩種環氧樹脂的混合比例來加以改變，因此最終設計的材料特性就由兩個部分的測量與混合函數來代表。

感測器元件和積體電路的保護塗層擁有和以上討論黏合材料相同的特性，但效應卻不同，保護塗層和感測隔膜接觸可能會造成施加壓力的遲滯區間、溫度造成的遲滯區間、因溫度高於或低於玻璃轉移溫度所造成的靈敏度與位移變化，隨著時間而發生的輸出飄移以及輸出蠕動等。

矽晶片材料用在生產可靠且可重複性高的感測器時擁有相當良好的機械特性，但加入了黏合材料以及保護塗層則會降低感測器的效能，為了解決這個問題，應該要了解如何透過混合比例、老化影響、事先暴露在空氣中以及因時間與溫度所帶來的影響來改變生產材料的特性，當進入原型設計時，所選用的材料很有可能會和第一百萬個生產的感測器有所不同。

《圖二　典型的汽車手冊會提供感測器的電氣連線以及接腳資訊、連結媒介與連接埠以及在汽車中的位置。》

部分簡單的原則可以讓感測器設計的電子部分更加穩固，基本上PRT感測器元件會安排在一個基體上，再透過它安裝到外殼或感測器本體，如圖六，外殼內的灰塵會對PRT元件的感應部分形成流體媒介，基體則包含有信號整形晶片，在這個例子中為矽晶片，以及數顆離散式元件，它同時也提供連接到連接器的電氣路徑，以便取得電源並提供輸出信號，連接器通常是一個包含代表所測量壓力資訊類比輸出電壓的三線式形式，基本的電路佈局原則可以為特定的電路設計帶來最佳的效能表現：

如果願意花時間，類比感測器電路的除錯將是一個相當複雜的過程，不過大部分感測器的誤動作都可以透過以下的步驟快速解決：

通常明顯的感測器誤動作實際上大多是在不良環境下運作的良好感測器，要確定問題出在感測器本身，可以透過檢查並重覆檢查感測器的電氣與機械輸入來節省多許多時間與挫折。[4]

在進行錯誤動作感測器的除錯時，已知道有數千個其他相同元件都能夠正常工作，當每個元件相互連接並且適當運作時，這個元件也能夠正常工作，但這樣的假設不適用於進行第一個原型機除錯，因為沒有類似的電路已經被量產並證明可以正確無誤地運作，因此，面臨的挑戰就是如何找出手上這個感測器與其他先前世代數千顆感測器間的差異。

《圖三　部分客戶與元件規格會詳細描述每個車用感測器期望的工作特性以及環境因素。》

感測器的可重複性最為重要，沒有任何的電子線路可以對面臨溫度與壓力時反應無法預測的感測器進行修正，不過業界已經有許多可以用來找出造成感測器無法提供可重複性原因的方法，並且已經經過時間的證明有效，但還是必須決定哪一種最適合我們的感測器組裝程序：

透過讓溫度以微小差異持續由最低到最高逐漸變化增加，緩慢的溫度步階循環變化可以測量不同溫度下的偏移與區間變化，大部分的感測器以25℃、接著-40℃，然後125℃或85℃，接著回到25℃的方式進行測量，稱為三重溫度測試，這個程序假設感測器會在中間溫度點擁有平穩且連續的行為表現。

但之間到底會發生什麼情況？將這個測試應用在良好的感測器上，讓溫度由室溫變換為低溫、高溫，接著再低溫、高溫，然後回到室溫，並以15℃為變化單位，測量感測器在每個條件下的反應，如果感測器的規格為-40℃到125℃，那麼應該要進行超過這個限制，例如從-55℃到150℃的溫度循環測量，找出是否在每次循環時偏移與幅度都依循相同的曲線？或者是每次循環都會產生不同的曲線？這個測試超過了感測器所指定的工作範圍，但卻可以用來了解如果工作條件些微超出範圍時，會不會發生突然發生瞬間失效的情況。

《圖四　典型PRT壓力感測器的剖面圖顯示了壓力的連接埠、基體上的矽晶片以及各種聚合材料。》

至於在可靠度方面，感測器輸出在較極端情況下的行為表現基本上可以視為失效，反應曲線會在接近或者是恰巧超過溫度限制時有大幅的變化？到底是哪些材料或者是電氣特性發生改變，或者成為造成問題的主要原因？變化通常在正常的工作範圍就會開始顯現，代表了聚合物質會因前面提到的玻璃轉移溫度轉變為玻璃相表現，而不同的特性，例如溫度係數、楊式系數（Young’s Modulus）及其他是否在原始設計中就加以考慮？當元件離開玻璃相時，是否會回到原始的應力狀態或位置？如果沒有，那麼因溫度造成的遲滯現象就可能會出現在輸出中。

高溫持續測試可以用來檢查材料的穩定度，由25℃開始驗證感測器的運作，接著在監測感測器輸出的同時快速地將溫度上升到最高的工作溫度甚至超出，並在維持高溫的情況下進行輸出紀錄數個小時，在這個時間內的輸出變化可以代表當組裝後在較高溫度形成時感測器上的溫度差異，或者是材料在面對較低應力時對應力低反應所造成的材料蠕變所帶來的輸出變動。

到底那些材料會發生蠕變？請檢查塑膠與聚合物，要決定造成這個變化的來源，我們可以使用不同的材料，例如保護塗層來架構感測器，或者使用較多或較少的材料量，甚至是移除可疑的材料，接著對經過修正的單元進行相同測試來找出特性是否發生變化，這時如果還有一個可以控制的對照組將更為理想。

《圖五　聚合材料會在材料經過玻璃轉移溫度Tg時會出現重大的材料特性變化。》

搭配壓力遲滯檢查的高溫持續測試和以上相當類似，但卻是在將壓力由最低到最高循環變化下進行輸出監測，而非隨時間的變化，壓力輸出信號是否每次都依循相同的曲線？如果不是的話，可能有部分材料會因施加的壓力而出現的蠕變或疲乏，接著在最後測試中將壓力設定在最高並保持，讓元件回到室溫或更低，接著將壓力降低到零，這時輸出是否會立即回到零？還是需要數個小時、數天才能夠回到測試開始時所紀錄的數值，如果是這樣的情況，請檢查聚合物質，同時也必須考慮兩個不同材料相互接觸的任何機械組合可能造成的摩擦力滑動的情形。

要進行不同溫度下電源拒斥能力的測試，我們只要在幾個不同溫度下將電源電壓由最低到最高進行循環變化，基本上使用最高、最低以及室溫就已經足夠，檢查因電源電壓改變所造成的輸出變化是否在不同溫度下相同？輸出在高溫或低溫時雜訊有沒有大幅增加或減少？晶片在不同溫度下電源拒斥能力是否不同？外加電容，例如單片、鉭質、電解電容是否會對這些特性的基本數字有所影響？電路設計應該要考慮這些因素並進行最壞情況的分析，例如零件值在不同溫度下所發生的變化。

這項測試提供了檢視電路特性的機會，例如低電壓運作點以及啟動重置運作等，在不同的溫度下緩慢地降低電源電壓直到感測器停止運作，在停止運作後，將電壓回復到正常的工作範圍並觀察電路是否會回復並開始動作，這個程序可以用來測試整個設計在不同溫度下對電源異常的承受能力，另一方面，並不建議進行高電壓運作能力的測量，因為這樣的測試基本上只會對晶片造成傷害。

《圖六　典型的壓力感測器組裝包含一或多個主動式矽晶片積體電路、被動電阻與電容元件以及其他機械零組件。》

結語

生產可靠感測器時最後關注點是改變，而這也正是爭論中大量汽車生產時所面臨的主要問題，由於改變通常會帶來麻煩，因此在業界已有數年工作經驗的汽車製造工程師通常會予以避免，就算是看起來不太重要的小小改變也可能會造成一天價值數百萬美元的汽車車體組裝生產線暫停運作，為了描述這個效應，數學家貝諾．曼德伯（Benoit Mandlebrot）提出了一個稱為蝴蝶效應的理論，也就是在中國一隻蝴蝶拍動翅膀所造成的空氣擾動最終可能會造成世界另一端的颶風。

請切記要對任何生產、材料以及零件的變化建立一個相對的驗證計畫，這個驗證計畫必須描述所需要進行的測試以便證明不會造成不良影響，並應該能夠複製所有接下來的汽車組裝與測試程序，同時包含汽車的實際上路測試。

基本上許多改變的主要目的是降低成本，但是如果要在經過良好設計的產品上進行時，假如沒有詳細完整的瞭解並驗證相關的影響，那麼就可能會帶來相當大的災害，沒有任何東西可以比得上良好產品設計的成本表現，因為它代表了對材料與相關程序最具成本效率的選擇與評估，並且以高良率的良好定義生產流程製造生產，因此降低成本的最佳做法是將焦點放在下一代的設計而不要嘗試改變現有的產品。

---作者任職於美商美信（Maxim）公司---

＜參考資料：

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

[2]費曼的主張（Pleasure of Finding Things Out）：Richard Feynman著，1999年。

[3]工程材料特性第二版，R A Higgins著，1994年。

[4]類比電路除錯，Robert Pease著，1991年。＞