汽車(chē)傳感器--系統整合的未來(lái)
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傳感器應用數量的急劇增加推動(dòng)著(zhù)系統整合向縱深方向發(fā)展。諸如電子穩定控制系統和數量不斷增加的安全氣囊之類(lèi)的安全系統都需要用到大量的傳感器。在駕駛艙內，傳感器不僅可以幫助控制車(chē)內溫度，還可以提高空氣質(zhì)量。
系統工程師在決定什么時(shí)候將系統部件整合起來(lái)，什么時(shí)候通過(guò)離散封裝來(lái)獲得更多的選擇方面猶豫不決。同時(shí)，他們不僅要為傳感器提供保護，還要努力提高數據處理的速度。
封裝起來(lái)
工程師在無(wú)法采用更多傳感器或處理器而還要實(shí)現功能擴展的情況下，他們主要采取電子封裝的方式。將多個(gè)芯片封裝在一起不僅可以節省空間，還可以節省成本?，F在已經(jīng)很難找到不采取任何智能封裝方式的傳感器了。
“我們的產(chǎn)品幾乎都采用了雙芯片或多芯片封裝方式，其中MEMS（微電子機械系統）芯片及ASIC（專(zhuān)用集成電路）芯片負責校準和濾波工作，”飛思卡爾半導體汽車(chē)傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Dave Monk表示?！坝袝r(shí)候是否需要這種方式有其邏輯性在里面?！?
一旦A SIC芯片和傳感器封裝在一起，下一步就不太確定了。一些設計小組想在這些多芯片封裝模塊中加入更多的傳感器。
這時(shí)他們往往會(huì )效仿許多系統設計師的做法，即采取一種將多個(gè)不同傳感器放到單一慣性測量單元里的系統架構。這種集中式的做法可以幫助他們減少一兩個(gè)控制器，甚至還可以省去電源供應器或電氣外殼。如果成本允許的話(huà)，工程師們可以在同一個(gè)載板上放幾個(gè)傳感器，將其封裝在一個(gè)多芯片模塊中。
網(wǎng)絡(luò )連接對這些傳感器模塊來(lái)說(shuō)非常重要——在碰撞中這些傳感器會(huì )被激活并發(fā)送出幾個(gè)字節大小的數據?？尚械能?chē)載網(wǎng)絡(luò )連接方式是LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )）總線(xiàn)。
“ 讓多傳感器模塊中所有的傳感器可以共享同一個(gè)L I N 接口芯片，這是降低成本的主要方式，”Melexis Inc紅外線(xiàn)測溫儀產(chǎn)品經(jīng)理Luc Buydens說(shuō)道。
不過(guò)有一些設計小組的做法比較謹慎，他們指出傳感器的價(jià)格差別相當大。加速度計的成本要遠遠低于陀螺儀，這就存在一個(gè)潛在的問(wèn)題——如果加速度計出現故障時(shí)把整個(gè)封裝模塊都扔掉顯然會(huì )大幅增加系統的成本。
“我們會(huì )非常小心地決定將哪些產(chǎn)品封裝在一起，”亞德諾半導體公司MEMS及傳感器技術(shù)團隊成員Rob O’Reilly表示?！皩⒓铀俣扔嬇c陀螺儀封裝在一起可能沒(méi)有什么問(wèn)題，但是一旦出現問(wèn)題就難說(shuō)了?！?
▲越來(lái)越多的傳感器模塊通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò )將它們提供的少量數據分享給控制器。
▲隨著(zhù)傳感器數量的不斷增加，Analog Devices公司提供的雙軸和三軸加速度計和陀螺儀都放置在中央慣性測量單元內。
對車(chē)廂內的應用來(lái)說(shuō)，這種擔憂(yōu)就會(huì )少很多，因為許多用于提高乘坐舒適性的傳感器的價(jià)格都差不多。這樣相對來(lái)說(shuō)，工程師不用增加多少成本就可以增加一些功能，比如在豪華車(chē)中加上空氣質(zhì)量監測系統或在普通消費車(chē)輛中加一些諸如雙區溫度控制等的功能。
“對車(chē)廂舒適性來(lái)說(shuō)，你可以將空氣/ 紅外線(xiàn)溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器以及擋風(fēng)玻璃溫度傳感器等整合在一個(gè)模塊中——所有這些都通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò )連接，”Buydens表示。
不管傳感器模塊在什么位置或里面包含什么，封裝產(chǎn)品還可以拓展它們提供的保護的范圍。這些封裝產(chǎn)品的主要目的是保護傳感器；這些傳感器中常常包含感應運動(dòng)的微量硅元素。此外，封裝產(chǎn)品還要解決電磁干擾（EM I）的問(wèn)題?！癊MI是電子封裝遇到的最大問(wèn)題，”O’Reilly說(shuō)。
還有其他一些因素也使EMI保護更加重要。一方面，電子器件的頻率都提升了很多。此外，車(chē)輛中電子功能越來(lái)越豐富，同時(shí)應用到汽車(chē)上的消費類(lèi)電子產(chǎn)品也越來(lái)越多。
如果EMI控制得不好的話(huà)，間斷性的干擾問(wèn)題會(huì )帶來(lái)許多難題。
汽車(chē)制造商也在改變測試標準，從1GHz頻率的200V/m提高到4GHz品的400V/m?！懊刻岣?00V，測試的難度就會(huì )呈指數級的增長(cháng)，”O’Reilly說(shuō)?！拔覀儚囊郧爸会槍δK進(jìn)行測試，現在模塊內每個(gè)元件都要測試?！?
芯片用戶(hù)和供應商常常不得不將多個(gè)傳感器整合到一塊硅片上，而采用多芯片組件可以減少他們面臨的這種壓力。不過(guò)，采用整合的方式可以降低成本，因此汽車(chē)制造商希望可以從消費市場(chǎng)采用的傳感器整合方式中受益。
一些游戲產(chǎn)品如任天堂的Wii為M E M S 傳感器開(kāi)啟了巨大的應用市場(chǎng)——這種傳感器不但成本低，還不怕振動(dòng)。汽車(chē)制造商希望可以從這種行業(yè)中吸取經(jīng)驗。
“游戲產(chǎn)品采用的加速度計和陀螺儀的整合水平較高。在未來(lái)，我們還會(huì )看到越來(lái)越多來(lái)自消費市場(chǎng)的技術(shù)被嫁接到汽車(chē)上，”STMicroelectronics公司高級動(dòng)力系及安全市場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理Hubert Conti-Geitner表示。
他還指出，汽車(chē)制造商剛開(kāi)始采用雙軸陀螺儀，而消費市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始供應帶有三軸陀螺儀的系統了。對消費產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，陀螺儀和加速度計可以整合在一個(gè)芯片上。
不過(guò)，這種整合方式是否可以應用在汽車(chē)市場(chǎng)目前還不得而知。將所有東西都整合到一個(gè)硅晶片上可以降低成本，但是這也限制了應用的靈活性。不同的汽車(chē)有不同的要求，因此汽車(chē)制造商可能不會(huì )在所有品牌或車(chē)型上都采用同一塊芯片。
“高水平的整合需要市場(chǎng)是穩定的，變化比較少，”Conti-Geitner說(shuō)?！罢闲枰芏嘟疱X(qián)和時(shí)間的投入。如果整合的芯片解析度為30度/秒，而你需要的是15度/秒，這會(huì )出現問(wèn)題?！?
在最終方案確定之前，工程師們還需要仔細研究其他類(lèi)型的整合方式。雖然可以將傳感器和邏輯功能整合到同一個(gè)芯片上，但是這種做法比較少。MEMS技術(shù)的線(xiàn)寬比邏輯裝置要大很多，因此將他們整合起來(lái)的效率并不高。
比如，加速度計有靈敏度，來(lái)確定感應裝置的構建方式。類(lèi)似制動(dòng)和安全氣囊等應用需要的靈敏度完全不同，因此各個(gè)系統要采用不同的加速度計。
“對制動(dòng)系統來(lái)說(shuō)，許多公司設置的靈敏度為2g，”飛思卡爾半導體公司全球汽車(chē)戰略經(jīng)理Marc Osajda說(shuō)?！岸鴮Π踩珰饽襾?lái)說(shuō)，靈敏度大概在40g左右?！?
系統設計師希望多個(gè)系統可以采用一個(gè)傳感器，但是這顯然是不太可能的。
“底盤(pán)穩定性通常需要大量的優(yōu)化工作，以確保駕駛員感受不到來(lái)自地面的顛簸，而這需要靈敏度比較低的加速度計，”Analog Devices公司汽車(chē)安全業(yè)務(wù)市場(chǎng)經(jīng)理Max Liberman表示?！耙恍╅_(kāi)發(fā)人員試圖利用電子穩定控制系統（ESC）中的傳感器，但是更多人認為應該單獨采用一到兩個(gè)加速度計?！? 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理
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