精確可靠的汽車應用加速計

MEMS 加速計在汽車安全氣囊應用的碰撞與沖擊檢測方面的使用已逾十年。目前，MEMS加速計已經(jīng)成為汽車安全系統(tǒng)的一部分。一個系統(tǒng)示例就是電子穩(wěn)定性控制 (ESC)，它可以檢測車輛轉彎時的意外側滑，通過自動控制引擎、懸架、剎車，讓車輛恢復穩(wěn)定。由于美國要求，到2012年，所有輕型汽車都要安裝 ESC，因此MEMS加速計在汽車行業(yè)的使用將更加廣泛。

安全系統(tǒng)中使用的加速計要求具有高靈敏度、高準確性、高可靠性，并匹配ESC系統(tǒng)的通信接口。由于側滑時加速度小于1g，因此加速計必須非常靈敏，才能夠感應低重力移動。感應響應也必須在操作溫度范圍內以較高的信噪比(S／N)和低偏置誤差追蹤加速度。加速計必須穩(wěn)健、可靠，這樣其結構才不會在汽車環(huán)境的高壓強下斷裂或損壞，而且在出現(xiàn)超負荷后器件應立即返回正常操作。此外，數(shù)字編解碼器輸出必須能夠直接由ESC系統(tǒng)內的其它器件處理。

以下討論介紹了基于飛思卡爾半導體公司高縱寬比微機電系統(tǒng)(HARMEMS)技術的精確、可靠的加速計，這款加速計可用于先進的ESC系統(tǒng)。

變容式加速計

變容式加速計的操作原理非常易于理解。圖1顯示了電容式加速計的一個簡單模型。中間的可移動元件由彈簧支持，位于固定元件之間。從電氣角度看，它相當于兩個容量互為變化的背靠背電容器。加速度為0時，中板保留在中間位置，上下間隙不變。因此，電容峰(Ct)與電容谷(Cb)實現(xiàn)了平衡。

當傳感器加速時，可移動元件由來自牛頓方程的動能(Faocel)而被迫移動。同時，彈簧被移動中的元件彎曲，根據(jù)胡克定律，在反方向產生恢復力 (Frestore)。因此，可移動板最終將移動到彈簧恢復力與加速力實現(xiàn)平衡的位置(Frestore=Faccel)。此時，電容器間隙被更改，電容也被更改。電容變化將轉變?yōu)殡娦盘?，我們可以通過測量該電信號來確定加速度。

電容式加速計還有其它一些優(yōu)勢，如低功耗、沒有驅動電流、易于匹配CMOS電路等。對于汽車應用來說，最大優(yōu)勢在于電容式加速計可以通過固定板產生的靜電力移動可移動元件，從而進行測試。這被稱為自我測試功能。自測電極的偏壓添加在傳感器上的加速度，不產生實際加速度。在激活系統(tǒng)前，對傳感器操作完整性進行機械和電氣方面的驗證非常有用。自我測試對于生命保障應用 (如安全氣囊)是一種必要的功能。

帶有傳感器芯片和ASIC芯片的SiP解決方案

實際加速計產品包括傳感器芯片和信號處理芯片(A-SIC)，采用系統(tǒng)封裝(SiP)技術進行封裝。傳感器芯片采用MEMS技術制造。ASIC芯片包含信號調理及其它功能，采用CMOS技術制造。流程分離允許最大限度地提高每個技術的使用率和生產率。此外，SiP組裝解決方案還能推動產品更快上市，因為通過將MEMS技術與各種標準或專業(yè) CMOS、SMOS、BiCMOS等技術混合起來(取決于應用)。無需片上系統(tǒng)(SoC)集成便能實現(xiàn)制造各種特定產品的靈活性。

MEMS傳感器的改進與ASIC信號處理和補償?shù)母倪M，影響了汽車加速計的精確度與可靠性，我們將在后面的內容中討論。

MEMS傳感器改良

用于汽車應用的MEMS加速計必須實現(xiàn)高靈敏度、過阻尼機械響應和黏附失敗預防。

1．靈敏度增強

MEMS 加速計本身的靈敏度由機械參數(shù)可移動元件質量(m)和彈簧常數(shù)(Ks)定義。操作原理是：當加速度移動時，中板移動一個較長距離，微分電容變化更多，進而實現(xiàn)高靈敏度。移動的距離(L)取決于加速度力(Faccel=m×a)和彈簧恢復力(Frestore=Ks×L)之間的平衡，即中板能夠承受的質量越大，加速度力就越大，移動的距離就越長。另一方面，彈簧常數(shù)較小的軟彈簧需要更大的彎曲度才能獲得平衡的恢復力。在傳感器結構設計中，使用較重的中板或軟彈簧，可以制造出高度靈敏的加速計，即使加速度很低(1g)，中板也可以移動較長距離。

有趣的是，盡管間隙變化是決定加速度的主要因素，但絕對電容變化量基于初始電容(C0)。微分電容變化率不取決于C0值。然而，對于第一階段的電容(ASIC芯片上的電壓轉換器電路)，還是希望有較大的絕對電容變化，因為它有助于提高背景噪音中的信噪比。電容器板面積擴展實現(xiàn)了初始電容增加，同時也增加了中板質量。因此，可以通過增加中板質量和面積，實現(xiàn)汽車加速計的高靈敏度。

2．過阻尼響應

加速計響應特征來源于中板的瞬間移動。在操作原理中已經(jīng)講過，中板移動到彈簧恢復力與加速度力實現(xiàn)平衡的位置(Frestore=FacceI)。隨著中板的移動，它從周圍大氣中獲取阻力。這種移動通常解釋為阻尼振蕩。

阻尼振蕩可采用其它的術語來解釋。第一個術語是移動時板的加速度(不是來自外部的加速度)。第二個術語是當板移動進入大氣中時的阻力效應，y是一個來自空氣黏度、摩擦、板面積及其它功能的阻力因子。第三個術語是彈簧恢復力效應，是系統(tǒng)的自然頻率。

阻尼振蕩方程有三種解決方案(參見圖2)。對于汽車應用，如果已獲得要求的響應時間，那么阻力效應大于彈簧效應(y2>w02)的過阻尼響應比較理想。

它在沒有振蕩的情況下匯聚到平衡位置，看起來好像一個機械低通濾波器。過阻尼傳感器機械地截斷高頻噪音組件，提高輸出信號上的信噪比(S／N)。這樣，就可以正確讀取原始加速度信號。

汽車加速計的過阻尼機械響應可以通過擴大可移動板以獲取更多空氣阻力來實現(xiàn)，與前面所討論的靈敏度增加方法一致。

3．超程停止和黏附預防