一种踏板位置传感器的工艺改进

吴军,陈立国

(苏州大学,江苏苏州 215021)

一种踏板位置传感器的工艺改进

吴军,陈立国

(苏州大学,江苏苏州 215021)

简要阐述了接触式踏板位置传感器与非接触式传感器的优缺点。介绍了当前常用的接触式汽车电子油门踏板的制作工艺。在满足客户要求的前提下，为了进一步降低成本，提高其相对于非接触式位置传感器的价格优势，提出一种用技术成熟的PCB代替塑料底板的新制造工艺。同时详细介绍了用于提高产品精度的激光修正工艺的工作方式。

电位计；激光修正；PCB板；传感器

Abstract:The advantages and disadvantages of contacted pedal position sensor and non-contact one were briefly introduced.The common production process of the contacted electronic throttle pedal sensor was described.In order to further reduce costs and improve its price advantage against non-contact one,a new process using PCB to instead of plastic substrate was raised under the premise to meet customer requirements.Meanwhile the work mode of the laser correction process which was used to improve the product precision was illustrated.

Keywords:Potentiometer;Laser correction;PCB;Sensor

0 引言

电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU(电控单元)、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。电子油门踏板位置的改变，使节气门开度改变，踩下时开度增大，松开时开度减小。变阻型位移传感器使用比较广泛，应用时间最长。它有如下优点：

(1) 结构简单、尺寸小、质量轻、价格低廉且性能稳定；

(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；

(3)输出信号大，一般不需放大。

但是它是接触式，存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨率较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。

尽管今天已有很多传感器能在实际应用中取代它， 比如电磁式、光电式等，但是它的成本优势使它仍然在市场上占有很大的份量。此文的目的是为企业提供一种以PCB板代替传统塑料底板以降低成本、改进踏板位移传感器的方法。

1 接触式踏板位置传感器制造流程

在当前汽车行业要求中，为了提高安全性、防止误发信号，接触式踏板位移传感器都采用双联电位计。就是将两个接触部件连接在一起，当踏板位置改变时，会带动它们一起在底

板上运动，从而有两个输出信号。ECU单元会检测这两个信号是否符合一定的对应关系，进而决定是否调节节气门。因此在实际工业生产中，踏板位移传感器的制造过程是：将转头与底板分开制造，然后再将两者通过外壳组装在一起，最后进行测试。常见的使用塑料底板的传感器制作流程框图，见图1所示。

1.1 转头部件制造

转头部件中的导电部件，考虑到汽车踏板需要不停地动作,所以对旋转寿命的要求特别高。在设计传感器时，选择高耐磨的导电塑料制作电阻体,电刷采用进口的多元合金丝多指刷,来达到优秀的旋转寿命指标。如图2所示，是一种导电部件的图形。

为了保证输出信号的高可靠性,在设计时采用了双联电位器，因此一个转头部件上有两个导电部件。在实际制作中，可以采用对塑料柱进行热铆接或超声波铆接的方法将它们固定在转头部件上，这样不仅能充分地保证4个接触刷子的径向同步性,进而确保组装后电压信号输出的同步性,而且使接触电刷的弹性大大改良,可以提高传感器的电气性能。组装后的转头如图3所示。

1.2 印刷底板制造

在当前的工艺中，采用传统的TOSEC( Track Over Stoved End Connection)工艺。首先在清洁的底板上印刷好导电油墨，为了尽可能减少电阻，多采用银浆。经过烘烤后，再印刷电阻油墨，然后再次烘烤。底板材料多选择PPA-65GF。图4(a)是一种踏板位置传感器底板印刷银浆后的图片，图4(b)是印刷电阻油墨后的图片。

1.3 组装

将转头与底板通过外壳组装在一起，大多采用超声波焊接工艺。

2 使用PCB板代替塑料底板的工艺

在不改变转头、外壳等原材料，同时不影响后续组装的前提下，使用PCB板代替塑料底板。既可以省去前期的模具开发和试模等成本，也免去了后期的模具维护费用；同时大大缩减了研发周期，也不需要增加设备投资。

2.1 PCB设计

双联电位计的基本电子线路相对简单，如图5所示。

供给电源为U1和U2，可以由同一个稳压电源提供，通过负载电阻来调节电位计P1和P2的输出电压u1和u2。

所以双面板即可满足设计要求，其一面为印刷面，另一面为线路连接面。PCB基材可选择行业内常用的FR4。线路中所有的电阻，均由印刷电阻油墨来完成。因此在PCB上，通过设计相应的电阻油墨区可以很容易得到需要的电阻值。但是考虑到铜箔厚度对厚膜印刷工艺的影响，铜箔厚度不能超过1盎司。其印刷面的电子线路的功能必须与导电油墨印刷线路完全相同。鉴于铜箔与导电油墨在厚度及导电率方面的差异，PCB的电子线路的线宽和线路末端设计应充分考虑如何补偿两者的影响。

为了保证电阻油墨印刷位置正确，可以仍然采用设计印刷对齐标志线的做法。同时有效电阻区、电气电阻区的长度、弧度、起始位置、终止位置等参数必须与塑料印刷底板相同，这样才能保证输入输出的一致性。图7为一种位置传感器的输入输出关系图。

2.2 关键材料的选用和印刷精度的保证

接触式油门踏板位置传感器与非接触式传感器相比，最大的缺点就是有摩擦损耗，所以对印刷油墨的要求较高。同时由于PCB板能承受的烘烤温度较塑料底板低，所以要求电阻油墨能够在约190 ℃温度时固化。根据厚膜印刷的特点,厚膜印刷电位器线性精度一直较线绕电位器差,最好的仅在3%左右,要想满足此产品2%的要求,尤其是同步性5‰的要求,对印刷精度要求很高。在现有印刷机和检测膜厚仪器的基础上,专做了平整度很好的印刷夹具,通过多次试验,调整好浆料的最佳黏度以及最佳流平固化时间。 由于印刷工艺的限制，印刷后的底板中各个电阻的阻值不稳定，很多都不能达到要求。同时其电阻与角度的斜率也很难全部达到安全要求。因此在实际生产中，通常采用修正工艺，通过增加其高端和低端电阻，使其电阻值及其斜率达到组装要求。近几年，由于激光技术的发展，大多数修正工艺都从原来使用金刚石切头的机械修正改为使用激光烧灼的激光修正。

其基本方法如下，以2号线路为例：

第一步：将1号引脚接上恒流源的正极，5号引脚接上恒流源的负极。恒流源的电流为I。通过电压表测量1号和5号引脚之间的电压U2。根据欧姆定律，得出

R2Total=U2/I

(1)

第二步：在可变电阻P2的负极增加探针Pot1，正极增加探针Pot2。 通过电压表测量低端与高端的电压UPot1和UPot2。 根据欧姆定律，可以得出实际的低端电阻R1以及R可变电阻1与R1的阻值之和

R1=UPot1/I

(2)

R可变电阻1+R1=UPot2/I

(3)

通过公式(1)、公式(3)和图5，可以得出R2的阻值

R2=R1Total-R可变电阻1-R1=(U22-UPot2)/I

(4)

实际低端输出比例为OutputLow2,实际高端输出比例为OutputHigh2

OutputLow2=UPot1/U2

(5)

OutputHigh2=UPot2/U2

(6)

测量并记录数据后，撤离电流源保留探针继续接触到底板。

第三步：将电压为10 V的恒压源正负板分别接入1号引脚和5号引脚(采用10 V电压,而不是客户实际使用的5 V电压,主要是为了方便计算和测量,以尽可以减少测量误差)。使用电压表测量低端的电压，同时让激光修正机对低端电阻R1进行纵向烧灼，使其电阻较快升高，提高其在总电阻中的比例。当测量得到的低端电压接近1 V时，改为横向烧灼，使低端电压达到1 V，然后关闭激光。

第四步：使用电压表测量高端的电压OutputHigh2，同时让激光修正机对低端电阻R2进行纵向烧灼，使其电阻较快升高，提高其在总电阻中的比例。当测量得到的低端电压接近9 V时，改为横向烧灼，使低端电压达到9 V。

同理，可以对1号线路进行激光修正。

同时为了提供传感器的使用寿命，也可以使用固化工艺，即在底板滑动电阻区喷上一层润滑油，使其表面硬度增加。可以使用克虏伯公司的Barrierta I EL Fluid高温润滑油和稀释剂XZ3-1按1∶99的比例进行混合对电阻油墨进行表面处理。

2.3 使用PCB板后的底板工艺

图8为使用PCB板的传感器制造流程图。可知：使用PCB板，省去了导电油墨使用，其他工艺没有任何改变。这可以降低产品的报废率，也减少了原材料的使用，有利于降低成本。

2.4 PCB板与壳体组装

考虑到成本因素，两者的组装仍然采用原有工艺设备，建议使用热铆接或超声波铆接工艺。所以要求PCB板的外形尺寸应与塑料底板完全相同，特别是定位孔和厚度。

3 测试结果及分析

目前各个汽车零部件厂商都是按照国际标准化组织的TS16949要求进行生产管理。具体的产品技术参数都是按照客户的产品技术开发要求制定的。仍然使用现有的测试系统，在实际的产品测试中，所有技术参数均能达到客户的要求并通过测试。

4 结论

在接触式油门位置传感器中，用PCB板代替塑料在技术层面是可行的，也可以在成本方面有很大程度的降低，而且不需要额外的硬件投资。在研究过程中，也发现了在新产品中用PCB板的额外好处：

(1)用PCB板代替塑料底板，可以缩小产品的尺寸。这可以使外壳和转头的质量减轻，减少产品整体质量，从而对整车质量的减轻做出少许贡献。

(2)可以在PCB板上设计一些其他功能电路，比如滤波电路、模数转换电路，或者其他信号处理电路等，使接触式传感器能够输出数字信号，使企业可以提高客户的满意度。

(3)PCB板的设计周期较塑料底板的设计周期短。在制作样品阶段，特别是要求供应商进行打样过程中，难度有大幅度的降低，大大缩小了样品制作时间，使客户有充足的时间进行设计验证。

(4)使用PCB板，使得研发人员非常容易更改产品设计，而且损失也较使用塑料底板小很多。

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ProcessImprovementfortheETCPedalSensor

WU Jun，CHEN Liguo

(Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China)

2014-09-29

吴军(1981—)，男，工程硕士，研究方向为机器人控制技术。

陈立国(1974—)，E-mail:wujun19810930@163.com。