MEMS加速計(jì)致力解決汽車(chē)安全問(wèn)題

現(xiàn)在，許多政府準(zhǔn)備進(jìn)一步強(qiáng)制實(shí)施相關(guān)計(jì)劃，將側(cè)重點(diǎn)從被動(dòng)安全轉(zhuǎn)移到主動(dòng)安全。在2011年至2020年期間，即將推出一系列新型主動(dòng)安全系統(tǒng)來(lái)防止碰車(chē)，其中包括車(chē)輛電子穩(wěn)定控制（ESC）。ESC是對(duì)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）和牽引力控制系統(tǒng)（TCS）的又一次改進(jìn)。它的基本功能是在單個(gè)車(chē)輪上采用差分制動(dòng)力和減少發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的方式，以防止車(chē)輛打滑并確保其穩(wěn)定性。這一自動(dòng)反應(yīng)功能通過(guò)減少轉(zhuǎn)向過(guò)大、過(guò)小問(wèn)題來(lái)提高車(chē)輛的穩(wěn)定性，尤其是在車(chē)輛嚴(yán)重側(cè)偏，路面摩擦力小的情況下。ABS系統(tǒng)必須增添額外的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)ESP功能，包括方向盤(pán)角度傳感器、偏航速率傳感器和低重力加速度傳感器，這些傳感器都用來(lái)測(cè)量車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。顯然，這為飛思卡爾半導(dǎo)體這樣的MEMS傳感器制造商創(chuàng)造了新的商機(jī)。

市場(chǎng)視角

過(guò)去這15年里ESC通過(guò)自身影響力，在安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。幾項(xiàng)國(guó)際研究表明，通過(guò)重要數(shù)據(jù)收集，ESC大幅降低撞車(chē)風(fēng)險(xiǎn)，每年幫助挽救了成千上萬(wàn)人的性命［4］。事實(shí)上，日本、歐洲和美國(guó)的一些汽車(chē)制造商已引入該設(shè)備，將它作為部分車(chē)輛生產(chǎn)線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)配置，從而大大提高了客戶(hù)的安全利益。豐田和戴姆勒估計(jì)，它能分別將兩家汽車(chē)的單一車(chē)輛事故風(fēng)險(xiǎn)降低35％-42%［5］。NTHSA預(yù)計(jì)，在2006年這一風(fēng)險(xiǎn)比例可能減少了30％以上，相當(dāng)于每年減少9600次死亡和252 000次受傷事件。例如，在美國(guó)非常流行的運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)輛（SUV），由于其重心高，因而在艱難的駕駛條件下容易發(fā)生翻車(chē)或方向盤(pán)失去控制。裝備ESC后，這款車(chē)型發(fā)生翻車(chē)的可能性大大減少80％以上［6］。有了這樣的安全保障，各國(guó)政府強(qiáng)制規(guī)定客車(chē)必須安裝ESC作為安全設(shè)備：截止到2012年，在美國(guó)出售的最高噸位為4.5噸的所有新型車(chē)輛將必須配置ESC［7］。歐盟委員會(huì)則規(guī)定，截止到2014年11月為止，所有新車(chē)輛都要安裝ESC；其他國(guó)家，如巴西、日本和韓國(guó)也已經(jīng)宣布了要在2012年及以后強(qiáng)制采用ESC。2010年ESC在全球的安裝比例已經(jīng)達(dá)到35％左右，但是要實(shí)現(xiàn)全面實(shí)施，仍然還有大量工作亟需完成。

上述強(qiáng)制規(guī)定將使ESC的需求變得很大，并且據(jù)Strategy Analytics最近公布的消息顯示，在2009至2014年期間，安全系統(tǒng)將是增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。這主要指包括ESC在內(nèi)的幾大主動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施所帶來(lái)的結(jié)果，預(yù)計(jì)到2014年，ESC系統(tǒng)的實(shí)施數(shù)量將從現(xiàn)在的2600萬(wàn)上升到4400萬(wàn)個(gè)。iSuppli估計(jì)，到那時(shí)市場(chǎng)上的MEMS加速度計(jì)數(shù)量將達(dá)到4770萬(wàn)，其中獨(dú)立的雙軸低重力傳感器占到66％。事實(shí)上，這些年來(lái)系統(tǒng)要求一直在不斷發(fā)展和改進(jìn)，從而能夠更好地適應(yīng)各種車(chē)型（如四輪轎車(chē)）和不同天氣條件下的道路需求。雙軸低重力傳感器的使用，則可以通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)輛在斜坡上的傾斜度，來(lái)集成類(lèi)似上坡啟動(dòng)和電動(dòng)駐車(chē)制動(dòng)器（EPB）等新功能。在增加這些功能的同時(shí)，又要滿(mǎn)足ESC要求的嚴(yán)格性能，這些要求綜合起來(lái)將對(duì)加速計(jì)提出巨大的挑戰(zhàn)。

傳感器要求

在ESC系統(tǒng)中，各種MEMS傳感器通常安裝在距離車(chē)輛重心很近的位置，它們的任務(wù)是保持觀察汽車(chē)底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。由于增加了偏航率傳感器來(lái)測(cè)量垂直軸的角加速度，低重力慣性傳感器則可以被用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的橫向加速度，從而向系統(tǒng)提供更多的信息。當(dāng)車(chē)輛開(kāi)始下滑并失去控制期間，這個(gè)加速度不到1g。因此，該慣性傳感器必須具有極好的靈敏度來(lái)感應(yīng)到十分精確的低重力。這意味著設(shè)備輸出的噪音級(jí)別要求很低，而且零重力加速度在不同溫度中的變化小。此外，加速計(jì)必須對(duì)必須對(duì)汽車(chē)底盤(pán)出現(xiàn)的高頻寄生效應(yīng)具有免疫力。在正常駕駛條件下的幾百赫茲到路面沖擊造成的幾千赫茲范圍內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)大頻率帶寬的低能量信號(hào)。為避免破壞傳感器響應(yīng)，高于1kHz的頻率必須要過(guò)濾掉。根據(jù)定義，慣性傳感器對(duì)任何來(lái)源的加速度都十分敏感，因?yàn)檫@一微加工感應(yīng)元件是基于相對(duì)于固定板的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的。傳感器輸出信號(hào)往往通過(guò)電子低通濾波來(lái)清除高頻寄生。擁有過(guò)阻尼功能的傳感器，可以消除多余的高頻加速度內(nèi)容，這在機(jī)械方面又提供了一大好處。

飛思卡爾推出的MMA6900Q，是一款能應(yīng)對(duì)上述所有挑戰(zhàn)的高級(jí)XY軸低重力加速計(jì)。它提供十分有用的特性和功能，使其能完全適合ESC系統(tǒng)的需求。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)十分強(qiáng)韌，對(duì)寄生震動(dòng)的免疫力很強(qiáng)，而且有很寬的全格感測(cè)范圍（+/ -3，5g），從而確保翻車(chē)時(shí)ESC應(yīng)用仍能在+/- 1.7g范圍內(nèi)運(yùn)行。它還在-40°c 至105°C的整個(gè)車(chē)輛溫度范圍內(nèi)，提供偏移穩(wěn)定性為+/- 50mg 的低噪音輸出。

技術(shù)

與大多數(shù)飛思卡爾加速計(jì)一樣，該MMA6900Q設(shè)備包括表面微加工電容式傳感元件和用于信號(hào)調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換，放大和過(guò)濾）的控制ASIC，均組裝在一個(gè)QFN6x6毫米的小型塑料封裝里。

該器件能實(shí)現(xiàn)性能的一個(gè)關(guān)鍵元件是它包含經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證的高寬比MEMS汽車(chē)傳感器（HARMEMS）?！案邔挶取敝傅氖莻鞲衅麝P(guān)鍵力學(xué)特性的寬度，如整體彈簧系統(tǒng)的彈簧部分或可移動(dòng)和固定電容板之間的空隙。該技術(shù)是通過(guò)將一個(gè)25微米厚的SOI層，與DRIE（深反應(yīng)離子蝕刻）定義的狹窄溝槽組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了這一高寬比。HARMEMS絕緣體上硅（SOI）工藝采用多晶硅沉積層（帶氣橋），組成了MEMS芯片的電氣連接。用DRIE組成MEMS結(jié)構(gòu)后，犧牲氧化層上形成了聚合氣橋（poly air bridge）。之后，再使用定時(shí)化學(xué)腐蝕來(lái)釋放MEMS結(jié)構(gòu)。單晶SOI可以更好地控制DRIE工藝，從而使器件在機(jī)械性能方面保持更好的一致性。厚SOI層加強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)機(jī)械元件的剛性和質(zhì)量，同時(shí)擴(kuò)增了電容。與標(biāo)準(zhǔn)的表面微加工工藝相比，其優(yōu)勢(shì)在于靈敏度和噪聲性能都有所提高，并且由于它更好地減輕了使用中可能出現(xiàn)的黏附，從而提高了可靠性。結(jié)合玻璃熔塊晶圓接合可實(shí)現(xiàn)的比真空密封還高檔的封裝技術(shù)，該傳感器在移動(dòng)時(shí)會(huì)遇到相當(dāng)大的空氣阻力，從而以低于1kHz的自然截止頻率提供過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實(shí)現(xiàn)很小的系統(tǒng)容錯(cuò)。電容板越厚，就意味著封裝應(yīng)力隨溫度變化導(dǎo)致的傳感器結(jié)構(gòu)板變形越小。而且，HARMEMS現(xiàn)在已經(jīng)改善了信噪比，這意味著傳感器系統(tǒng)的傳感信號(hào)增益有所減少。這樣傳感器、ASIC或封裝的故障就減少了，從而使得產(chǎn)品系統(tǒng)的總故障數(shù)量減少。

在信號(hào)調(diào)試中，則使用已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的0.25微米模擬混合信號(hào)技術(shù)，該技術(shù)包括精密的模擬模塊和高速CMOS邏輯。25000個(gè)門(mén)控/mm2這樣的高密度，允許集成帶大量參數(shù)微調(diào)選項(xiàng)的復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理模塊（DSP）。用于X和Y通道的兩個(gè)獨(dú)立的16位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，則提供了傳感元件和DSP之間的接口。由于ΣΔ轉(zhuǎn)換帶來(lái)的較高過(guò)采樣頻率，以及信噪比和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大，它們的檢測(cè)分辨率不斷得到改進(jìn)。在出現(xiàn)加速度過(guò)載后，該器件最長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間為4毫秒。全數(shù)字信號(hào)調(diào)試在實(shí)施中應(yīng)用了橋接的優(yōu)勢(shì)，如可編程（過(guò)濾器和加速范圍）和自動(dòng)診斷。數(shù)據(jù)完整性特性改善了系統(tǒng)的失敗安全策略，如編程數(shù)據(jù)數(shù)組和SPI命令的連續(xù)奇偶性確定，能夠在運(yùn)行中檢測(cè)潛在的“位翻轉(zhuǎn)”。如果任何一項(xiàng)完整性校驗(yàn)失敗，器件會(huì)立刻發(fā)送錯(cuò)誤信息，避免將在通信故障曲解為有效的加速度測(cè)量。該器件的溫度和所有關(guān)鍵內(nèi)部電壓都實(shí)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，因而加速度測(cè)量的精度有所提高。一旦電壓超過(guò)可接受范圍或者在溫度超過(guò)一定閾值時(shí)發(fā)送了錯(cuò)誤消息，那么該器件就會(huì)復(fù)位。它提供了11位的無(wú)噪音數(shù)據(jù)輸出，降低了對(duì)PCB布線(xiàn)的影響感應(yīng)。此外，它通過(guò)提供3.3V或5V的雙電源，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更多的靈活性。

至于包裝，MMA6900Q則采用16引線(xiàn)的6x6x1.98mm QFN封裝。符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝，使PCB設(shè)計(jì)體積變得更加小巧，而且對(duì)寄生頻率振動(dòng)有更強(qiáng)的免疫力。實(shí)際上，第一個(gè)封裝鼓模式共振頻率大約為160kHz（每個(gè)FEA結(jié)果），這遠(yuǎn)高于在車(chē)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的任何潛在寄生頻率。

未來(lái)發(fā)展

飛思卡爾在安全氣囊傳感器的設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真和生產(chǎn)方面具有13年以上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因而能夠?yàn)檎w測(cè)量安全的商討提供可靠的工藝流程和技術(shù)。由于全球采用的各種強(qiáng)制規(guī)定導(dǎo)致傳感器體積變大，這又帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，特別是在系統(tǒng)成本方面。汽車(chē)供應(yīng)商和汽車(chē)制造商將各種安全模塊（如安全氣囊和ESC）集成起來(lái)，意在進(jìn)行新的系統(tǒng)分區(qū)。雖然被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)的融合會(huì)帶來(lái)一些好處，但它同時(shí)也對(duì)傳感器的特性產(chǎn)生了影響，這些特性要求達(dá)到一個(gè)新的整合水平。多軸組件是必須要提供的，它將不同傳感元件，如偏航率+低重里或中等重力+低重力傳感器集成起來(lái)，提供不同的模塊配置。飛思卡爾結(jié)合其在新技術(shù)方面的系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)這些未來(lái)解決方案，從而為應(yīng)付這些新的挑戰(zhàn)做好了充分準(zhǔn)備。