汽車(chē)傳感器技術(shù)推動(dòng)非車(chē)用嵌入式設計的發(fā)展

　　具有更多智能的汽車(chē)需要配備各種各樣牢靠而又廉價(jià)的傳感器，其中許多傳感器證明在其它嵌入式系統中也是非常適用的。而且，數字編程技術(shù)也正在簡(jiǎn)化這些汽車(chē)傳感器適應于新領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

     目前，轎車(chē)、卡車(chē)和公共汽車(chē)既是一種機械設備，同樣也幾乎是一種電子裝置。隨著(zhù)越來(lái)越多的汽車(chē)增加先進(jìn)的功能，如穩定性控制和電子油門(mén)控制，汽車(chē)的電子含量還在不斷增加。由于電子系統只依靠電信號工作，所以汽車(chē)需要用傳感器將各種光激勵、化學(xué)激勵和機械激勵轉換成電信號。盡管傳感器歷來(lái)是非常昂貴的，但汽車(chē)傳感器卻不能太貴，因為對汽車(chē)（甚至高檔豪華汽車(chē)）制造而言，成本始終是一個(gè)極為敏感的因素。然而，盡管有成本方面的嚴格限制，但汽車(chē)傳感器的設計者們卻不能只圖省錢(qián)。這些傳感器必須能在惡劣的溫度、濕度、沖擊、震動(dòng)和電磁干擾的環(huán)境下可靠地工作許多年，當然這些極端工作條件會(huì )大大縮短相應常規傳感器的使用壽命。
　　這種具有挑戰性的局面，對那些基于非汽車(chē)傳感器的嵌入式系統的設計師來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)真正的好消息。這些設計師常常發(fā)現，他們可以使原先為汽車(chē)開(kāi)發(fā)的傳感器也適應于別的應用場(chǎng)合。因為使用 
在汽車(chē)上的這些傳感器價(jià)格雖低，但可靠性極高。而且，現在的可編程技術(shù)也便于修改數量日益增多的汽車(chē)傳感器特性，使它們達到新的用途的要求。
　　如今，許多車(chē)用傳感器都是使用IC工藝制造的，其中有些工藝可生產(chǎn)既有模擬功能又有非易失性存儲器的芯片。這種方法允許對每一個(gè)器件進(jìn)行校正和編程，以彌補制造上的缺陷。因此，可編程性可以使器件制造商放寬公差，從而在降低成本的同時(shí)提高器件成品率。
　　但是，IC設計者們必須仔細地逐項考慮增加可編程性是否能夠真正地降低傳感器芯片的成本。這種權衡可能是極其棘手的。如果考慮不當，將非易失性存儲器添加到主要是模擬功能的芯片上就會(huì )導致成本上升而不是下降。要將非易失性RAM與模擬功能結合在一起，需要使用更加復雜的晶圓片加工工藝，存儲器會(huì )增加芯片面積，從而降低了成品率，而編程則會(huì )增加測試時(shí)間。
　　盡管IC技術(shù)在汽車(chē)傳感技術(shù)中日益占居主導地位的理由很充足，但并非所有的汽車(chē)傳感器都是采用IC的。遠非如此。不過(guò)，現在還沒(méi)有任何別的制造技術(shù)能如此適合生產(chǎn)這些傳感器。制造IC的成批加工工藝可以生產(chǎn)大量的、功能特性受到精確控制的器件，其結果是器件成本極低。事實(shí)上，許多汽車(chē)傳感器IC的封裝成本已經(jīng)高于芯片的成本。即使這樣，封裝后的器件成本通常也比用其它方法生產(chǎn)的器件低?？梢哉f(shuō)，在許多情況下，即使是汽車(chē)制造商愿意支付相當高的費用（何況他們事實(shí)上不愿意），用其它方法根本就生產(chǎn)不出合適的器件來(lái)的。

　　封裝占用一筆很大的成本

　　封裝成本在汽車(chē)傳感器的成本中占有很大比重，對此誰(shuí)也不會(huì )感到意外。封裝必須保護本來(lái)就脆弱的芯片不受極端環(huán)境的影響。再則，某些IC傳感器對封裝提出了極為苛刻的要求。例如，某些位置傳感器要求精確監控制IC芯片相對于封裝外部特征的位置。要滿(mǎn)足這些要求，需要專(zhuān)門(mén)的裝配工藝和夾具。
　　即使沒(méi)有提出這類(lèi)特殊要求，汽車(chē)傳感器的封裝也必須保護芯片免遭大多數商用器件從未遇到過(guò)的工作條件的影響。不僅芯片，而且封裝包封本身也必須保證能在-40～ +125°C的溫度范圍內正常工作（對安裝在發(fā)動(dòng)機組件上的IC，其工作溫度范圍是-40～ +150°C）。再則，封裝必須保護芯片免受高濕度的影響，在某些情況下還要抗鹽霧的影響。封裝還必須保護芯片免受極端沖擊和震動(dòng)的影響，而芯片本身還必須承受很強的靜電場(chǎng)和RF電磁場(chǎng)的干擾。這些要求通常與軍事裝備和航天設備中所用IC的要求相同，只在某些場(chǎng)合單位體積可以放松一些，而且汽車(chē)公司也不會(huì )以軍用品的價(jià)格來(lái)支付，在某些情況下，甚至還要求低于普通商品的價(jià)格來(lái)支付。
　　你也許認為，汽車(chē)設備中大量使用完全相同的傳感器會(huì )使定制封裝符合汽車(chē)客戶(hù)的心意。但是，汽車(chē)傳感器的購買(mǎi)者在可能的情況下寧愿購買(mǎi)標準化封裝的IC，至少從尺寸的角度來(lái)說(shuō)是這樣。標準封裝的基礎結構（如測試插座）早已存在，因此，找到多家生產(chǎn)標準封裝IC的廠(chǎng)家要比尋找多家特殊封裝IC制造商更容易。IC傳感器制造商們估計，他們生產(chǎn)的汽車(chē)傳感器至少有一半是符合工業(yè)標準外形封裝的。
　　盡管尺寸是標準化的，但幾乎所有這些封裝都是IC或封裝制造商使之適用于汽車(chē)行業(yè)的版本。ISO（國際標準化組織）已經(jīng)制定了有關(guān)汽車(chē)用IC和IC封裝性能各個(gè)方面的標準。其中一項標準，即ISO/TR 7637/1，包含了器件承受ESD（靜電放電）的性能規范。
　　有些時(shí)候，對商用級器件進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于汽車(chē)設備，需要對封裝給予更多特別的關(guān)注。各種改進(jìn)可能要求大大改變晶圓片加工工藝。比如說(shuō)裝在發(fā)動(dòng)機罩下面的光傳感器就是這種情況。一般來(lái)說(shuō)，光電二極管探測器的工作溫度只能達到85°C，超過(guò)這一溫度（在少數情況下，可以超過(guò)100℃），
反向偏置的光電二極管的漏電流就會(huì )過(guò)大。但是，改變該器件摻雜就可使它在125℃的環(huán)境溫度下工作。
　　螺旋形的供應鏈
　　購買(mǎi)傳感器的大多不是汽車(chē)制造商本身，而是汽車(chē)制造商的供應商，或者是向汽車(chē)制造商提供組件的供應商。舉例來(lái)說(shuō)，公司A可能向公司B出售電動(dòng)車(chē)窗調節器（特種電動(dòng)機），而公司B則將完整的車(chē)門(mén)組件賣(mài)給制造汽車(chē)的公司C。在這種情況下，最有可能需要第二家供貨商的公司是公司B，然而，公司B很可能會(huì )誤以為自己擁有多個(gè)供貨商。
　　假定電動(dòng)車(chē)窗調節器是一種以電動(dòng)機為主制造的新型"一按即上升"裝置，內含撬桿（或遮擋）傳感器。為了防止有人因其手或頸檔住窗戶(hù)向上運動(dòng)而受傷，老式調節器要求駕駛員或乘客在窗戶(hù)向上運動(dòng)期間始終按住按鈕。而"一按即上升"調節器只需要按一下就行了；如果一個(gè)芯片上的傳感器能確定電動(dòng)機的扭矩過(guò)大，則電動(dòng)機里的控制IC就會(huì )使窗戶(hù)反向運動(dòng)。即使是公司B有第二家供應商D可供應調節器，公司A和D都可能從公司E獲得這種檢測撬桿的電動(dòng)機控制IC。因此，如果公司E那里出了問(wèn)題，就會(huì )停止向公司A、D供應這種調節器。
　　有些非汽車(chē)用嵌入式系統采用為汽車(chē)設備開(kāi)發(fā)的元件。這種非汽車(chē)用嵌入式系統的開(kāi) 
發(fā)人員所關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是將來(lái)能否得到必需的支持。許多非汽車(chē)公司想購買(mǎi)這些元件，但購買(mǎi)較少，只有幾千甚至幾百，而汽車(chē)供應商簽訂合約購買(mǎi)的元件數量則是幾十萬(wàn)，或幾百萬(wàn)個(gè)。
　　半導體制造商對這樣的問(wèn)題有幾種答復。首先，他們說(shuō)，他們認識到非汽車(chē)傳感器的總銷(xiāo)售潛力可能是一筆有利可圖的大買(mǎi)賣(mài)。為了向設備設計師們提供他們所需要的信息，大多數制造汽車(chē)傳感器的IC公司都公布詳細的數據資料，其中有打算將這些元件用于非汽車(chē)設備的設計工程師們所需的各種信息。IC公司也正努力提高其分銷(xiāo)商的應用支持能力。此外，有幾家IC公司說(shuō)，它們的工廠(chǎng)應用支持人員真的盼望著(zhù)能為購買(mǎi)量不大的客戶(hù)提供幫助。
　　有些公司（例如Melexis公司）不僅提供演示板，而且還提供其傳感器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)套件。Melexis公司已經(jīng)建立了它自己的網(wǎng)站，讓客戶(hù)上網(wǎng)購買(mǎi)這些器材。內含非易失性RAM的傳感器，之所以可以網(wǎng)上購買(mǎi)，是因為對于傳感器規范制定者和使用這些器件的設備設計師們來(lái)說(shuō)，可編程性是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。IC公司認識到，它們必須提供能使那些設計師在實(shí)驗室里為傳感器編程的信息和設備。此外，設備制造商們也常常需要在生產(chǎn)中用不同的工具來(lái)對傳感器IC進(jìn)行編程，而IC公司則承諾為這一設備提供或開(kāi)發(fā)相應的資源。

　　多樣化需要

　　現代汽車(chē)使用的傳感器種類(lèi)繁多。

    圖1示出了幾種傳感器裝在現代豪華小汽車(chē)中什么地方。表1的矩陣列出了若干被測參數值和通常用來(lái)測量這些參數的技術(shù)（傳感器種類(lèi)）。但是，這一矩陣是不全面的。例如，它既沒(méi)有包括流量傳感器，也沒(méi)有列出檢測具體化學(xué)成分和元素（如O2）的傳感器（圖2）?；瘜W(xué)傳感器是汽車(chē)排放控制系統中的關(guān)鍵元件?！　?/p>

    參考文獻1比較全面地闡述了可用的部件和技術(shù)。但是要記住，因為該書(shū)是一家主要的汽車(chē)傳感器制造商編寫(xiě)的，所以它引用的例子全都是來(lái)自自己公司的各個(gè)產(chǎn)品系列。
　　目前被認為幾乎與汽車(chē)設備同義的一個(gè)傳感技術(shù)領(lǐng)域是基于MEMS（微電子機械系統）技術(shù)的加速度計。正如參考文獻2所述，盡管MEMS器件的制造與IC的制造密切相關(guān)，而且某些基于MEMS的傳感器就是既有傳感元件又有IC信號調節器的一塊芯片，但是MEMS制造商不喜歡把它們的產(chǎn)品稱(chēng)之為IC。
　　然而，有些批量生產(chǎn)的、指甲大?。ɑ蚋。┑牧畠r(jià)器件能檢測或產(chǎn)生運動(dòng)，這種器件的思路既新穎又與眾不同，足以使人有科幻的感覺(jué)。毫無(wú)疑問(wèn)，以MEMS為基礎的汽車(chē)傳感器的應用，除了當今電容式加速度計之外還將繼續擴大。確實(shí)，MEMS很有可能會(huì )成為首要的汽車(chē)傳感器技術(shù)，例如，據報道，一些MEMS制造商正在積極地開(kāi)發(fā)以MEMS為基礎的陀螺儀。
　　遠不如MEMS傳感器那樣具有吸引力但仍然占有極為重要地位的是磁性器件，例如參考文獻3所述的傳感器。盡管參考文獻3所述的旋轉位置傳感器和速度傳感器大多利用霍爾效應，但是某些較新的傳感器則是以GMR（巨磁阻）效應為基礎的。GMR技術(shù)因其在提高硬盤(pán)驅動(dòng)器的面密度方面的重要性而受到廣泛關(guān)注。但是，霍爾器件的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠將檢測功能和信號的調節功能組合在一塊IC芯片上。圖3示出了磁阻角度傳感器在汽車(chē)上的應用。

　　在汽車(chē)上設置總線(xiàn)

　　汽車(chē)傳感器提供數據的方法是許多論文（如參考文獻４和５）的主題。大多數傳感器基本上都是以模擬方式檢測物理現象的模擬傳感器。幾十年來(lái)，每一種傳感器產(chǎn)生的模擬輸出，對于該傳感器技術(shù)所檢測的變量范圍而言都是獨一無(wú)二的。把這些輸出信號轉變?yōu)榭梢岳玫男问绞仟毩⒌男盘栒{節器的任務(wù)，而該調節器通常都以電路模塊的形式出現。傳感元件的輸出常常是一個(gè)低電平模擬電壓或電流，而且常常是被檢測變量的非線(xiàn)性函數。當今的原始（或不存在的）計算函數需要線(xiàn)性化的高電平輸出，按照被測變量進(jìn)行標度，并且經(jīng)常對補償和增益進(jìn)行修正。后來(lái)，又常常將幾種傳感器和信號調節電路集成在一起，并且將輸出設定成標準范圍值。在工業(yè)應用，特別是在過(guò)程控制中，輸出范圍標稱(chēng)值為4～ 20 mA。
　　由于A(yíng)/D變換器的尺寸大大縮小，成本顯著(zhù)降低，已使人們能夠生產(chǎn)出成本幾乎不比模擬電路高的小型數字輸出信號調節器。數字通信的廣泛應用推動(dòng)了可通過(guò)標準數字協(xié)議進(jìn)行通信的信號調節器的設計?；贗C技術(shù)的傳感器的發(fā)展，使人們有可能將傳感器、信號調節器和標準化數字接口集成在一塊低成本的IC上。即使是這樣，許多現代汽車(chē)仍然在采用模塊化的信號調節器，例如圖4所示的信號調節器。

　　雖然這一結果聽(tīng)起來(lái)很棒，但也不是沒(méi)有問(wèn)題存在。一個(gè)主要問(wèn)題在于掌握這種技術(shù)很容易，或者是有太多的電子工程師們太有創(chuàng )造力，或者是他們過(guò)高估計自己的創(chuàng )造力?，F在看來(lái)，好像每位在世的電子工程師都至少設計了一種新型總線(xiàn)和相關(guān)的通信協(xié)議，而這些總線(xiàn)和協(xié)議中任何兩個(gè)都是不相兼容的。那座由過(guò)多互不兼容的總線(xiàn)和協(xié)議"標準"所構建的巴比通天塔造成了時(shí)間、精力和金錢(qián)的巨大浪費。
　　汽車(chē)工業(yè)不能不受到這些總線(xiàn)競爭的影響。最著(zhù)名的汽車(chē)總線(xiàn)是CAN（控制器區域網(wǎng)，參考文獻4）。CAN最初在歐洲的汽車(chē)制造商中擁有一批支持者。而一種較新的總線(xiàn)是LIN（本地互連網(wǎng)），它不是為了取代CAN，而是對CAM的補充。LIN是一種低成本的總線(xiàn)，用于對汽車(chē)主人的安全并不十分重要的應用場(chǎng)合。在LIN協(xié)會(huì )的網(wǎng)站上，你可以了解到大量汽車(chē)公司和電子公司正在使用LIN總線(xiàn)。

　　內容提要
　　· 傳感器已經(jīng)在汽車(chē)設計中起主要角色的作用。這一作用隨著(zhù)汽車(chē)功能（如穩定性控制和電子油門(mén)控制）的增多而愈來(lái)愈大。
　　· 對于許多種傳感器來(lái)說(shuō)，只有IC技術(shù)才能生產(chǎn)出滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)要求的器件，亦即這些器件成本低，能在極端的環(huán)境下可靠地工作許多年。
　　· 既有探測功能又有非易失性RAM的IC可使器件制造商對芯片進(jìn)行編程，以彌補制造上的缺陷。但是，設計師們必須想方設法防止這種混合IC的成本上升。
　　· 可編程性使非汽車(chē)嵌入式系統設計師對汽車(chē)傳感器進(jìn)行修改，使之適合他們的需要，而可以以低成本獲得牢固性和高可靠性。