MEMS加速計致力解決汽車(chē)安全問(wèn)題

　　與2001年相比較，2010年底歐洲公路死亡人數已經(jīng)減少了一半。雖然歐洲委員會(huì )在2003年確立的那個(gè)極具挑戰的目標尚無(wú)法實(shí)現，但歐盟27個(gè)成員國的平均傷亡人數已經(jīng)下降了40%左右。傷亡人數均呈下降趨勢，在其他西方國家情況同樣如此，其中美國最新公布的調查結果。美國交通部國家公路交通安全管理局(NTHSA)披露，2009年死亡人數已降到1950年以來(lái)的最低。這些結果是可信的。因為人們從立法、道路基礎設施和駕駛員行為等幾個(gè)因素給予重視，尤其是關(guān)注車(chē)輛整體安全性能的提高。安全帶和安全氣囊等被動(dòng)防護系統在其中發(fā)揮了重要作用，過(guò)去幾十年它已經(jīng)成功挽救成了成千上萬(wàn)人的性命?，F 在，許多政府準備進(jìn)一步強制實(shí)施相關(guān)計劃，將側重點(diǎn)從被動(dòng)安全轉移到主動(dòng)安全。在2011年至2020年期間，即將推出一系列新型主動(dòng)安全系統來(lái)防止碰車(chē)，其中包括車(chē)輛電子穩定控制(ESC)。ESC是對防抱死制動(dòng)系統(ABS)和牽引力控制系統(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)機扭矩的方式，以防止車(chē)輛打滑并確保其穩定性。這一自動(dòng)反應功能通過(guò)減少轉向過(guò)大、過(guò)小問(wèn)題來(lái)提高車(chē)輛的穩定性，尤其是在車(chē)輛嚴重側偏，路面摩擦力小的情況下。ABS系統必須增添額外的傳感器來(lái)實(shí)現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)測量車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應。顯然，這為飛思卡爾半導體這樣的MEMS傳感器制造商創(chuàng )造了新的商機。根據iSuppli的排名，2009年飛思卡爾半導體是汽車(chē)MEMS加速度計的頭號供應商。

　　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。幾項國際研究表明，通過(guò)重要數據收集，ESC大幅降低撞車(chē)風(fēng)險，每年幫 助挽救了成千上萬(wàn)人的性命。事實(shí)上，日本、歐洲和美國的一些汽車(chē)制造商已引入該設備，將它作為部分車(chē)輛生產(chǎn)線(xiàn)的標準配置，從而大大提高了客戶(hù)的安全 利益。豐田和戴姆勒估計，它能分別將兩家汽車(chē)的單一車(chē)輛事故風(fēng)險降低35%-42%。NTHSA預計，在2006年這一風(fēng)險比例可能減少了30%以 上，相當于每年減少9600次死亡和252 000次受傷事件。例如，在美國非常流行的運動(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。有了這樣的安全保障，各國政府強制規定客車(chē)必須安裝ESC作為安全設備：截止到2012年，在美 國出售的最高噸位為4.5噸的所有新型車(chē)輛將必須配置ESC。歐盟委員會(huì )則規定，截止到2014年11月為止，所有新車(chē)輛都要安裝ESC;其他國 家，如巴西、日本和韓國也已經(jīng)宣布了要在2012年及以后強制采用ESC。2010年ESC在全球的安裝比例已經(jīng)達到35%左右，但是要實(shí)現全面實(shí)施，仍然還有大量工作亟需完成。

　　上述強制規定將使ESC的需求變得很大，并且據Strategy Analytics最近公布的消息顯示，在2009至2014年期間，安全系統將是增長(cháng)最快的應用之一。這主要指包括ESC在內的幾大主動(dòng)系統實(shí)施所帶來(lái) 的結果，預計到2014年，ESC系統的實(shí)施數量將從現在的2600萬(wàn)上升到4400萬(wàn)個(gè)。iSuppli估計，到那時(shí)市場(chǎng)上的MEMS加速度計數量將達 到4770萬(wàn)，其中獨立的雙軸低重力傳感器占到66%。事實(shí)上，這些年來(lái)系統要求一直在不斷發(fā)展和改進(jìn)，從而能夠更好地適應各種車(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)準確測量車(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要求的嚴格性能，這些要求綜合起來(lái)將對加速計提出巨大的挑戰。

　　傳感器要求

　　在ESC系統中，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(guān)察汽車(chē)底盤(pán)的運動(dòng)。由于增加了偏航率傳感器來(lái) 測量垂直軸的角加速度，低重力慣性傳感器則可以被用來(lái)檢測車(chē)輛的橫向加速度，從而向系統提供更多的信息。當車(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)感應到十分精確的低重力。這意味著(zhù)設備輸出的噪音級別要求很低，而且零重力加速度在不同溫度中的變化小。 此外，加速計必須對必須對汽車(chē)底盤(pán)出現的高頻寄生效應具有免疫力。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，可以發(fā)現大頻率帶寬的低能 量信號。為避免破壞傳感器響應，高于1kHz的頻率必須要過(guò)濾掉。根據定義，慣性傳感器對任何來(lái)源的加速度都十分敏感，因為這一微加工感應元件是基于相對 于固定板的質(zhì)量塊運動(dòng)的。傳感器輸出信號往往通過(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容，這在機械方面又提供了一大好處。

　　飛思卡爾最近推出的MMA6900Q，是一款能應對上述所有挑戰的高級XY軸低重力加速計。它提供十分有用的特性和功能，使其能完全適合 ESC系統的需求。該產(chǎn)品設計十分強韌，對寄生震動(dòng)的免疫力很強，而且有很寬的全格感測范圍(+/ -3,5g)，從而確保翻車(chē)時(shí)ESC應用仍能在+/- 1.7g范圍內運行。它還在-40°c 至105°C的整個(gè)車(chē)輛溫度范圍內，提供偏移穩定性為+/- 50mg 的低噪音輸出。

　　技術(shù)

　　與大多數飛思卡爾加速計一樣，該MMA6900Q設備包括表面微加工電容式傳感元件和用于信號調節(轉換，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)現性能的一個(gè)關(guān)鍵元件是它包含經(jīng)過(guò)了驗證的高寬比MEMS汽車(chē)傳感器(HARMEMS)。“高寬比”指的是傳感器關(guān)鍵力學(xué)特性 的寬度，如整體彈簧系統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(深反應離子蝕刻)定義的狹窄溝 槽組合在一起，從而實(shí)現了這一高寬比。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結構后，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結構。單晶SOI可以更好地控制DRIE工藝，從而使器件在機械性能方面保持更好的一致性。厚 SOI層加強了運動(dòng)機械元件的剛性和質(zhì)量，同時(shí)擴增了電容。與標準的表面微加工工藝相比，其優(yōu)勢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 使用中可能出現的黏附，從而提高了可靠性。結合玻璃熔塊晶圓接合可實(shí)現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)阻尼機械響應。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實(shí)現很小的系統容錯。電容板越厚，就意味著(zhù)封裝應力隨溫度變化導致 的傳感器結構板變形越小。而且，HARMEMS現在已經(jīng)改善了信噪比，這意味著(zhù)傳感器系統的傳感信號增益有所減少。這樣傳感器、ASIC或封裝的故障就減 少了，從而使得產(chǎn)品系統的總故障數量減少。

　　在信號調試中，則使用已經(jīng)過(guò)驗證的0.25微米模擬混合信號技術(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微調選項的復雜數字信號處理模塊(DSP)。用于X和Y通道的兩個(gè)獨立的16位Σ-Δ轉換器，則提供了傳感元件 和DSP之間的接口。由于ΣΔ轉換帶來(lái)的較高過(guò)采樣頻率，以及信噪比和動(dòng)態(tài)范圍擴大，它們的檢測分辨率不斷得到改進(jìn)。在出現加速度過(guò)載后，該器件最長(cháng)恢復 時(shí)間為4毫秒。全數字信號調試在實(shí)施中應用了橋接的優(yōu)勢，如可編程(過(guò)濾器和加速范圍)和自動(dòng)診斷。數據完整性特性改善了系統的失敗安全策略，如編程數據 數組和SPI命令的連續奇偶性確定，能夠在運行中檢測潛在的“位翻轉”。如果任何一項完整性校驗失敗，器件會(huì )立刻發(fā)送錯誤信息，避免將在通信故障曲解為有 效的加速度測量。該器件的溫度和所有關(guān)鍵內部電壓都實(shí)行連續監測，因而加速度測量的精度有所提高。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 錯誤消息，那么該器件就會(huì )復位。它提供了11位的無(wú)噪音數據輸出，降低了對PCB布線(xiàn)的影響感應。此外，它通過(guò)提供3.3V或5V的雙電源，為系統設計人 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)標準的封裝，使PCB設計體積變得更加小巧，而且對寄生頻率振動(dòng)有更強的免疫力。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結果)，這遠高于在車(chē)內發(fā)現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計、測試、仿真和生產(chǎn)方面具有13年以上的相關(guān)經(jīng)驗，因而能夠為整體測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制規定導致傳感器體積變大，這又帶來(lái)了新的挑戰，特別是在系統成本方面。汽車(chē)供應商和汽車(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)行新的系統分區。雖然被動(dòng)和主動(dòng)安全系統的融合會(huì )帶來(lái)一些好處，但它同時(shí)也對傳感器的特性產(chǎn)生了影響，這些特性要求達到一個(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。飛思卡爾結合其在新技術(shù) 方面的系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)這些未來(lái)解決方案，從而為應付這些新的挑戰做好了充分準備。