MEMS加速計致力解決汽車安全問題

　　與2001年相比較，2010年底歐洲公路死亡人數(shù)已經(jīng)減少了一半。雖然歐洲委員會在2003年確立的那個極具挑戰(zhàn)的目標尚無法實現(xiàn)，但歐盟27個成員國的平均傷亡人數(shù)已經(jīng)下降了40%左右。傷亡人數(shù)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(shù)已降到1950年以來的最低。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因素給予重視，尤其是關注車輛整體安全性能的提高。安全帶和安全氣囊等被動防護系統(tǒng)在其中發(fā)揮了重要作用，過去幾十年它已經(jīng)成功挽救成了成千上萬人的性命?，F(xiàn) 在，許多政府準備進一步強制實施相關計劃，將側重點從被動安全轉移到主動安全。在2011年至2020年期間，即將推出一系列新型主動安全系統(tǒng)來防止碰車，其中包括車輛電子穩(wěn)定控制(ESC)。ESC是對防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和牽引力控制系統(tǒng)(TCS)的又一次改進。它的基本功能是在單個車輪上采用差分制動力和減少發(fā)動機扭矩的方式，以防止車輛打滑并確保其穩(wěn)定性。這一自動反應功能通過減少轉向過大、過小問題來提高車輛的穩(wěn)定性，尤其是在車輛嚴重側偏，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實現(xiàn)ESP功能，包括方向盤角度傳感器、偏航速率傳感器和低重力加速度傳感器，這些傳感器都用來測量車輛的動態(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(jù)iSuppli的排名，2009年飛思卡爾半導體是汽車MEMS加速度計的頭號供應商。

　　市場視角

　　過去這15年里ESC通過自身影響力，在安全領域做出了巨大貢獻。幾項國際研究表明，通過重要數(shù)據(jù)收集，ESC大幅降低撞車風險，每年幫 助挽救了成千上萬人的性命。事實上，日本、歐洲和美國的一些汽車制造商已引入該設備，將它作為部分車輛生產(chǎn)線的標準配置，從而大大提高了客戶的安全 利益。豐田和戴姆勒估計，它能分別將兩家汽車的單一車輛事故風險降低35%-42%。NTHSA預計，在2006年這一風險比例可能減少了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型多功能車輛(SUV)，由于其重心高，因而在艱難的駕駛條件下容易發(fā)生翻車或方向盤失去控制。裝備ESC 后，這款車型發(fā)生翻車的可能性大大減少80%以上。有了這樣的安全保障，各國政府強制規(guī)定客車必須安裝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噸的所有新型車輛將必須配置ESC。歐盟委員會則規(guī)定，截止到2014年11月為止，所有新車輛都要安裝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，但是要實現(xiàn)全面實施，仍然還有大量工作亟需完成。

　　上述強制規(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)將是增長最快的應用之一。這主要指包括ESC在內(nèi)的幾大主動系統(tǒng)實施所帶來 的結果，預計到2014年，ESC系統(tǒng)的實施數(shù)量將從現(xiàn)在的2600萬上升到4400萬個。iSuppli估計，到那時市場上的MEMS加速度計數(shù)量將達 到4770萬，其中獨立的雙軸低重力傳感器占到66%。事實上，這些年來系統(tǒng)要求一直在不斷發(fā)展和改進，從而能夠更好地適應各種車型(如四輪轎車)和不同 天氣條件下的道路需求。雙軸低重力傳感器的使用，則可以通過準確測量車輛在斜坡上的傾斜度，來集成類似上坡啟動和電動駐車制動器(EPB)等新功能。在增 加這些功能的同時，又要滿足ESC要求的嚴格性能，這些要求綜合起來將對加速計提出巨大的挑戰(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輛重心很近的位置，它們的任務是保持觀察汽車底盤的運動。由于增加了偏航率傳感器來 測量垂直軸的角加速度，低重力慣性傳感器則可以被用來檢測車輛的橫向加速度，從而向系統(tǒng)提供更多的信息。當車輛開始下滑并失去控制期間，這個加速度不到 1g。因此，該慣性傳感器必須具有極好的靈敏度來感應到十分精確的低重力。這意味著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底盤出現(xiàn)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(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)大頻率帶寬的低能 量信號。為避免破壞傳感器響應，高于1kHz的頻率必須要過濾掉。根據(jù)定義，慣性傳感器對任何來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 于固定板的質量塊運動的。傳感器輸出信號往往通過電子低通濾波來清除高頻寄生。擁有過阻尼功能的傳感器，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(zhàn)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(tǒng)的需求。該產(chǎn)品設計十分強韌，對寄生震動的免疫力很強，而且有很寬的全格感測范圍(+/ -3,5g)，從而確保翻車時ESC應用仍能在+/- 1.7g范圍內(nèi)運行。它還在-40°c 至105°C的整個車輛溫度范圍內(nèi)，提供偏移穩(wěn)定性為+/- 50mg 的低噪音輸出。

　　技術

　　與大多數(shù)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(jié)(轉換，放大和過濾)的控制ASIC，均組裝在一個QFN6x6毫米的小型塑料封裝里。

　　該器件能實現(xiàn)性能的一個關鍵元件是它包含經(jīng)過了驗證的高寬比MEMS汽車傳感器(HARMEMS)。“高寬比”指的是傳感器關鍵力學特性 的寬度，如整體彈簧系統(tǒng)的彈簧部分或可移動和固定電容板之間的空隙。該技術是通過將一個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，再使用定時化學腐蝕來釋放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層加強了運動機械元件的剛性和質量，同時擴增了電容。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(xiàn)的黏附，從而提高了可靠性。結合玻璃熔塊晶圓接合可實現(xiàn)的比真空密封還高檔的封裝技術，該傳感器在移動時會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阻尼機械響應。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實現(xiàn)很小的系統(tǒng)容錯。電容板越厚，就意味著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(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。

　　在信號調試中，則使用已經(jīng)過驗證的0.25微米模擬混合信號技術，該技術包括精密的模擬模塊和高速CMOS邏輯。25000個門控 /mm2這樣的高密度，允許集成帶大量參數(shù)微調選項的復雜數(shù)字信號處理模塊(DSP)。用于X和Y通道的兩個獨立的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轉換帶來的較高過采樣頻率，以及信噪比和動態(tài)范圍擴大，它們的檢測分辨率不斷得到改進。在出現(xiàn)加速度過載后，該器件最長恢復 時間為4毫秒。全數(shù)字信號調試在實施中應用了橋接的優(yōu)勢，如可編程(過濾器和加速范圍)和自動診斷。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鍵內(nèi)部電壓都實行連續(xù)監(jiān)測，因而加速度測量的精度有所提高。一旦電壓超過可接受范圍或者在溫度超過一定閾值時發(fā)送了 錯誤消息，那么該器件就會復位。它提供了11位的無噪音數(shù)據(jù)輸出，降低了對PCB布線的影響感應。此外，它通過提供3.3V或5V的雙電源，為系統(tǒng)設計人 員帶來更多的靈活性。

　　至于包裝，MMA6900Q則采用16引線的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有更強的免疫力。實際上，第一個封裝鼓模式共振頻率大約為 160kHz(每個FEA結果)，這遠高于在車內(nèi)發(fā)現(xiàn)的任何潛在寄生頻率。

　　未來發(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。由于全球采用的各種強制規(guī)定導致傳感器體積變大，這又帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在系統(tǒng)成本方面。汽車供應商和汽車制造商將各種安全模塊(如安全氣囊和 ESC)集成起來，意在進行新的系統(tǒng)分區(qū)。雖然被動和主動安全系統(tǒng)的融合會帶來一些好處，但它同時也對傳感器的特性產(chǎn)生了影響，這些特性要求達到一個新的 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，提供不同的模塊配置。飛思卡爾結合其在新技術 方面的系統(tǒng)專業(yè)技術，積極開發(fā)這些未來解決方案，從而為應付這些新的挑戰(zhàn)做好了充分準備。