精確可靠的汽車應(yīng)用加速計(jì)

在板與固定板接觸之前，必須停止電容式加速計(jì)中的可移動(dòng)中板。還有一個(gè)固定結(jié)構(gòu)可以停止中板，稱為超程停止器(或停止器)。停止器的第一個(gè)作用是防止電容器短路。第二個(gè)作用是通過(guò)限定胡克定律成比例區(qū)域的較低側(cè)內(nèi)的彎曲范圍，避免彈簧由于疲勞而降低強(qiáng)度。第三個(gè)作用是防止可移動(dòng)板和固定板發(fā)生黏貼。黏貼通過(guò)接觸面之間的吸引力進(jìn)行。當(dāng)接觸面較寬時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榭偽μ蠖鵁o(wú)法分離這些板，而當(dāng)接觸面積較小，吸引力會(huì)較弱，因此可以輕松將板分開。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，即使一個(gè)尺寸較小的停止器在可移動(dòng)板停止后也會(huì)發(fā)生黏貼，這被稱為使用中黏貼。它是一個(gè)比較嚴(yán)重的故障模式，會(huì)暫時(shí)或永久地使傳感器喪失功能。因此，在汽車安全應(yīng)用中必須防止使用中黏貼。產(chǎn)生黏貼的表達(dá)式如下：

即停止器接觸面的吸引力大于彈簧的最大恢復(fù)力(見圖3)。

要防止使用中黏貼，必須通過(guò)增加彈簧恢復(fù)力或減少停止器平面吸引力，實(shí)現(xiàn)上述方程式的相反情況。然而，在高度靈敏的汽車傳感器中，不應(yīng)該過(guò)多增加彈簧常數(shù)，因?yàn)閺椈沙?shù)是決定加速計(jì)靈敏度的一個(gè)重要因子。但是，即使彈簧較硬，通過(guò)增加中板質(zhì)量，仍然可以提高靈敏度。在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須調(diào)整中板質(zhì)量和彈簧常數(shù)。

另一方面，通過(guò)粗化停止器平面可以減少吸引力，因?yàn)檫@減少了中板接觸停止器的有效接觸面積，所以，停止器的總吸引力減少了(見圖4)。此外，在傳感器結(jié)構(gòu)的疏水涂層也可以減少平面上的引力成分。

4. HARMEMS技術(shù)

飛思卡爾HARMEMS(高縱寬比MEMS)技術(shù)是用來(lái)制造高度靈敏、高度可靠的汽車加速計(jì)的MEMS工藝技術(shù)。HARMEMS讓檢測(cè)加速度的橫向傳感器與芯片表面平行，厚度為25um的單晶硅是SOI晶圓(絕緣硅晶片)的基材。25um厚度材料允許用較重可移動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)低加速度傳感器的高靈活度。同樣，由于25um厚度板在移動(dòng)時(shí)經(jīng)歷相當(dāng)大的空氣阻力，因此實(shí)現(xiàn)了過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)。
為了預(yù)防使用中黏貼，較重的可移動(dòng)元件可以有一個(gè)硬彈簧，制造強(qiáng)大恢復(fù)力的同時(shí)，降低停止器的吸引力。HARMEMS粗化扇貝形側(cè)壁表面結(jié)構(gòu)由深層RIE(反應(yīng)離子刻蝕)工藝創(chuàng)建。粗化表面減少了停止器的有效接觸面積，因此減少了吸引力，降低了黏貼發(fā)生率。HARMEMS加速計(jì)向汽車安全駕駛支持系統(tǒng)展示了精確、可靠的技術(shù)。

ASIC電路改進(jìn)

汽車ESC應(yīng)用的ASIC電路必須具有廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)具有高信噪比、不同溫度條件下的較小增益／偏置誤差以及數(shù)字通信功能。

1．廣泛動(dòng)態(tài)范圍和高信噪比

ESC 應(yīng)用的MEMS加速計(jì)輸出應(yīng)具有廣泛的動(dòng)態(tài)范圍(全尺寸／最小信號(hào))，即大于60dB。通過(guò)對(duì)比MEMS傳感器信號(hào)和駕駛員輸入，如駕駛、加速度和剎車組合，ESC系統(tǒng)可以檢測(cè)汽車性能的任何變化。這些效應(yīng)可能在一個(gè)非常廣的范圍內(nèi)變化。另一方面，即使一個(gè)很小的輸入或信號(hào)也可能影響汽車性能。因此，MEMS加速計(jì)必須檢測(cè)微小的行為變化，ASIC電路必須能夠識(shí)別并處理整個(gè)操作范圍內(nèi)的小信號(hào)。

當(dāng)ASIC輸入級(jí)電路(一個(gè)模擬放大器)與MEMS傳感器一起使用時(shí)，必須降低內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。將模擬電路最小化有助于限制噪聲源產(chǎn)生噪聲。此外，根據(jù)Slgma-Delta(∑△)調(diào)制噪聲成形效應(yīng)，模擬電路輸入后出現(xiàn)的∑△轉(zhuǎn)換能夠減少低頻區(qū)域中的噪聲分量。∑△轉(zhuǎn)換的高over-sarnpling frequency(過(guò)取樣頻率)提高了檢測(cè)分辨率，信噪比和動(dòng)態(tài)范圍也因此得以提高。所以，通過(guò)降低最小模擬輸入電路的噪聲，提高∑△轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)分辨率，能夠獲得廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。

2．較小的增益／偏置誤差

ESC系統(tǒng)還要求在其操作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±100mg(現(xiàn)在是±75mg)的偏置準(zhǔn)確度。任何內(nèi)在偏置誤差都會(huì)造成對(duì)汽車行為變化的不正確位置讀取。同樣，由于溫度變化而引起的偏置更改將導(dǎo)致更大的誤差。

傳感器設(shè)計(jì)用來(lái)將過(guò)溫偏置變化的影響降至最低。為了進(jìn)一步減少誤讀，ASIC芯片應(yīng)該包含增益和偏置的初始調(diào)節(jié)功能。這種調(diào)節(jié)在所要求的規(guī)格內(nèi)圍繞傳感器進(jìn)行。此外，ASIC芯片還具有增益和偏置的溫度補(bǔ)償功能?？梢詫囟葌鞲衅骷稍谛酒希缭贑MOS工藝中的P型多晶硅電阻器和N型Well電阻器。對(duì)于操作溫度范圍內(nèi)的一些點(diǎn)，調(diào)節(jié)碼在測(cè)試過(guò)程中被儲(chǔ)存在片上非易失性存儲(chǔ)器上。在實(shí)際操作過(guò)程中，要參考正確的調(diào)節(jié)碼，并補(bǔ)償實(shí)際溫度。因此，借助溫度傳感器的調(diào)節(jié)與補(bǔ)償功能和ASIC芯片上的非易失性存儲(chǔ)器，可減少整個(gè)溫度范圍內(nèi)的增益／偏置調(diào)節(jié)誤差。

3．?dāng)?shù)字通信功能

ESC 系統(tǒng)需要額外通信接口和來(lái)自傳感器的數(shù)字編解碼數(shù)據(jù)。即加速計(jì)在ASIC芯片上必須包含模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字通信接口電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換由∑△轉(zhuǎn)換器及隨后的模擬輸入電路執(zhí)行。輸出是脈寬調(diào)制的串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，它幾乎不受外部噪聲的影響。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流可提供給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，而數(shù)字信號(hào)處理器采用比目前市場(chǎng)上的模擬電路更加復(fù)雜的過(guò)濾功能，提高信號(hào)信息的準(zhǔn)確度。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用ESC系統(tǒng)的通信接口進(jìn)行傳輸，汽車專用通信總線優(yōu)先采用串行外設(shè)接口(SPI)。在串行接口總線上，ESC系統(tǒng)和傳感器定義為主從關(guān)系，很多從器件可以連接到總線。這些總線系統(tǒng)，如DSI或PS15，還減少了布線數(shù)量，從而減少通信信號(hào)(甚至是數(shù)字信號(hào))的衰減。因此，數(shù)字通信接口通過(guò)ASIC芯片上的∑△轉(zhuǎn)換器、DSP及串行通信接口電路實(shí)現(xiàn)。

ESC系統(tǒng)的低重力加速計(jì)產(chǎn)品

飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MMA6700EG是一款能夠滿足ESC系統(tǒng)所有要求的典范加速計(jì)。MMA6700EG采用HARMEMS技術(shù)，包含XY軸傳感器。ASIC還具有以下特性：

·過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)

·廣泛的動(dòng)態(tài)范圍(±3.5g FS、11位分辨率、66dB)

·高信噪比(大于68 dB)