Triphibian™技术：颠覆电动汽车热管理的压力传感器芯片技术
背景
随着气候变化问题日益严峻，人类必须采取有力措施来大幅减少碳排放。在新的立法和政策框架下，汽车行业正面临前所未有的压力。以欧洲绿色协议下的“Fit for 55”倡议为例，该倡议提议修改法律法规，以降低新车二氧化碳排放量，目标是在2030年之前，将排放量水平比2021年减少55%。而最终目标是到2035年将新车和货车的二氧化碳排放量减少100%。这一倡议的实施意味着从2035年起将禁止使用内燃机驱动的新车，从而加速纯电动汽车(BEV)的普及。
然而，解决从燃料开采到车辆驾驶全程的二氧化碳排放问题需要更多的解决措施来应对。尽管各国正在加紧部署更环保的能源，但在短期内它们还无法提供足够的能源来推动新型电动汽车的发展。此外，许多国家的电动汽车充电基础设施的覆盖率仍然不足，这对可持续汽车解决方案提出了挑战。
因此，优化车辆电池电源的部署至关重要，这样做有助于减少国家电网的能源需求并增加电动汽车的续航里程。而车辆的热管理系统在优化电池性能方面起着至关重要的作用，因为它能够应对外部温度对电池效率的影响，以及满足驾驶室制暖或制冷的能量需求。（图 1）.
图 1：电池供电的电动汽车热管理系统图示
为了实现更高水平的热管理效率，OEM和系统制造商需要借助精准、可靠且微型化的压力感测技术，该技术应具备应对各种类型介质的性能，能够精确测量测量气体和液体的压力。同时，感器芯片应具备抗冻性能，以避免在测量过程中因介质冻结而损坏。
热管理设计
电动汽车中的热管理系统由多个相互作用的制冷和冷却回路构成，用于控制驾驶室和电池组的温度以及对电力电子设备和电机进行冷却。在这个系统中部署有压力传感器芯片及温度传感器芯片，用以监测制冷液的状态，有助于优化系统效率，并保护关键部件免受损坏（图2）。
图2：Melexis BEV 热管理系统芯片解决方案
系统集中化是电动汽车热管理的主流趋势。该技术通过将更多组件紧密集成，以最大限度地减轻重量及减少管路，同时提高系统的可靠性并简化安装过程。
在2021年，前福特工程师Sandy Munro（现为工程咨询公司Munro & Associates的创始人）对福特Mach-E和特斯拉Model Y的热管理系统进行了拆解，并在他的YouTube频道Munro Live上分享了这一视频。Sandy和他的团队发现，Mach-E的热系统包含35个部件，软管长达18.42m，重量为22.4kg，相比之下，Model Y 热系统展现了高度的集成化，仅包含10个部件、软管长度为6.35m，重量为9.2kg，部件数量和重量上都有明显优势。
对于汽车OEM和系统制造商来说，在集中式系统的组件内安装压力传感器芯片有助于减少制冷剂和冷却回路内潜在的故障点（图3）。
图3：Triphibian™传感器芯片
微型MEMS压力敏感元件为这一技术方向提供了强有力的支持，该传感器芯片具备更可靠、更精准的特性，且采用更小巧的封装，从而显著提升了系统的性能。
MEMS压力敏感元件解决方案
十年前，迈来芯向市场推出了MLX90809，这是第一款采用坚固封装的出厂校准压力传感器芯片，专为满足汽车制动系统中对安全性要求严苛的应用而设计。自此之后，迈来芯不断推陈出新，相继推出了高度集成的压力传感器芯片，实现了裸片产品的小型化(如MLX90819/20)，并发布了超高精度的无PCB汽车压力传感器芯片（如MLX90822/23/24/25）。
然而，MEMS技术在电动汽车热管理系统应用中存在一些局限性。许多现有的低压传感器芯片，无论是PCB还是无PCB，都难以承受超过20 bar的爆裂压力，否则可能会导致传感器芯片损坏（如凝胶破裂、绑定线断开）。此外，当相对压力传感器芯片的背面承受压强时，存在芯片与封装分离的风险（见图4），而且这些传感器芯片通常只能测量气体介质的压力。
图4：（左）典型MEMS传感器芯片面临高压损坏风险
（右）Triphibian™支持高达2000 bar/ms 的压力瞬变要求和高达210 bar的静态爆破水平
在使用过程中，如果传感器芯片的凝胶侧长时间与被测液体接触，存在液体渗透凝胶导致传感器芯片输出漂移的风险。而其他类型的传感器芯片虽然能够耐受大部分液体，但要么无法应对液体冻结的情况，要么难以实现小型化。对于汽车行业而言，许多现有的封装和裸片MEMS解决方案都无法满足最新的要求。。
| Classic package front side exposed MEMS |
Classic package back side exposed MEMS |
Bare die back side exposed MEMS on glass pedestal |
Bare die Oil filled pressure sensor MEMS |
Advanced package Triphibian™ MEMS |
|
| Robustness against overpressures |
- | - | 0 | + | ++ |
| Robustness against frozen media |
- | - | - | + | 0 |
| Liquid media handling |
- | 0 | + | ++ | + |
| Accuracy | ++ | + | 0 | 0 | + |
| Integration in embedded solution | ++ | + | 0 | - | + |
| Ease of use | ++ | + | - | -- | + |
| Factory calibration | + | + | -- | -- | ++ |
| * gel/wire bonding side ** MLX90817, MLX90818, MLX90822, MLX90824 |
* opposite to wire bonds ** MLX90809, MLX90821 |
* opposite to wire bonds ** MLX90819 |
* gel/wire bonding side ** MLX90815, MLX90816, MLX90820 |
* floating MEMS ** MLX90830, MLX90833, MLX90834, MLX90835 |
MEMS传感器芯片设计及其局限性的比较
迈来芯的TriphibianTM技术
开发一种能够可靠地承受远超过5 bar压力，同时保持与液体介质接触的MEMS传感器芯片，将足以颠覆整个汽车行业及相关市场。迈来芯评级荣获专利 的TriphibianTM技术实现了这一目标（专利US11169039）。
之所以称为TriphibianTM，是因为该技术能够测量液体和气体两种物质状态的压力，同时能够应对固体和等离子体这两种物质状态。
TriphibianTM传感元件采用IC封装，内部包含一个悬臂梁，其尖端带有感应膜。该传感器芯片的悬臂梁结构在压力瞬变和爆破压力情况下周围的压力仍然处于均衡状态，这一设计比背面暴露的解决方案更稳健，后者在玻璃基座侧和引线键合侧之间仍然存在压力差。压力均衡原理也适用于冷冻介质，这是MEMS首次在此类环境中应用（图5）。
图5：Melexis Triphibian的悬挂悬臂设计
迈来芯针对汽车热管理系统提供的是封装的、易于集成的、经过出厂校准的且采用创新技术的压力传感器解决方案。该传感器芯片采用SOIC16封装，可通过回流焊工艺与PCB板实现电连接，同时易于实现传感器密封（图6）。
图6：MLX90830的设计消除了在迈来芯出厂校准之外进行初始校准的要求
MLX90830是TriphibianTM产品系列中的第一款产品，可以用前所未有的方式测量2 至 70 bar的气体和液体介质。.
TriphibianTM
- 测量2 - 70 bar液体、气体，并能够应对固态状态
- 颠覆MEMS压力测量
- MLX90830 是整个产品系列中的第一款产品
结论
随着世界面临的挑战不断增加， MEMS压力传感器芯片技术将成为应对这些挑战的重要工具。除了在汽车热管理方面的应用外，该技术还可以应用于许多其他领域。例如，气候变化对人类的影响日益明显，水资源短缺问题正在成为一个热议焦点，TriphibianTM传感器芯片可以帮助管理本地用水量，而这只是其众多潜在领近市场应用中的一个例子。迈来芯致力于为全人类和整个地球做出积极贡献，并不断创新和拓展其产品线。敬请关注迈来芯TriphibianTM系列的下一款产品！
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