精確可靠的汽車應(yīng)用加速計

變?nèi)菔郊铀儆嫷牟僮髟矸浅Ｒ子诶斫?。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(dāng)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(dāng)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(chǎn)生恢復(fù)力 (Frestore)。因此，可移動板最終將移動到彈簧恢復(fù)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(zhuǎn)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(qū)動電流、易于匹配CMOS電路等。對于汽車應(yīng)用來說，最大優(yōu)勢在于電容式加速計可以通過固定板產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(shù)進行封裝。傳感器芯片采用MEMS技術(shù)制造。ASIC芯片包含信號調(diào)理及其它功能，采用CMOS技術(shù)制造。流程分離允許最大限度地提高每個技術(shù)的使用率和生產(chǎn)率。此外，SiP組裝解決方案還能推動產(chǎn)品更快上市，因為通過將MEMS技術(shù)與各種標(biāo)準(zhǔn)或?qū)I(yè) CMOS、SMOS、BiCMOS等技術(shù)混合起來(取決于應(yīng)用)。無需片上系統(tǒng)(SoC)集成便能實現(xiàn)制造各種特定產(chǎn)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(nèi)容中討論。

MEMS傳感器改良

用于汽車應(yīng)用的MEMS加速計必須實現(xiàn)高靈敏度、過阻尼機械響應(yīng)和黏附失敗預(yù)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(zhì)量(m)和彈簧常數(shù)(Ks)定義。操作原理是：當(dāng)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(fù)力(Frestore=Ks×L)之間的平衡，即中板能夠承受的質(zhì)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(fù)力。在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(zhì)量。因此，可以通過增加中板質(zhì)量和面積，實現(xiàn)汽車加速計的高靈敏度。

2．過阻尼響應(yīng)

加速計響應(yīng)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(fù)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(shù)語來解釋。第一個術(shù)語是移動時板的加速度(不是來自外部的加速度)。第二個術(shù)語是當(dāng)板移動進入大氣中時的阻力效應(yīng)，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(shù)語是彈簧恢復(fù)力效應(yīng)，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(yīng)用，如果已獲得要求的響應(yīng)時間，那么阻力效應(yīng)大于彈簧效應(yīng)(y2>w02)的過阻尼響應(yīng)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(yīng)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(yù)防

在板與固定板接觸之前，必須停止電容式加速計中的可移動中板。還有一個固定結(jié)構(gòu)可以停止中板，稱為超程停止器(或停止器)。停止器的第一個作用是防止電容器短路。第二個作用是通過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度。第三個作用是防止可移動板和固定板發(fā)生黏貼。黏貼通過接觸面之間的吸引力進行。當(dāng)接觸面較寬時，可能會因為總吸引力太大而無法分離這些板，而當(dāng)接觸面積較小，吸引力會較弱，因此可以輕松將板分開。

然而在實際應(yīng)用中，即使一個尺寸較小的停止器在可移動板停止后也會發(fā)生黏貼，這被稱為使用中黏貼。它是一個比較嚴(yán)重的故障模式，會暫時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，必須通過增加彈簧恢復(fù)力或減少停止器平面吸引力，實現(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)該過多增加彈簧常數(shù)，因為彈簧常數(shù)是決定加速計靈敏度的一個重要因子。但是，即使彈簧較硬，通過增加中板質(zhì)量，仍然可以提高靈敏度。在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須調(diào)整中板質(zhì)量和彈簧常數(shù)。

另一方面，通過粗化停止器平面可以減少吸引力，因為這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)是用來制造高度靈敏、高度可靠的汽車加速計的MEMS工藝技術(shù)。HARMEMS讓檢測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元件實現(xiàn)低加速度傳感器的高靈活度。同樣，由于25um厚度板在移動時經(jīng)歷相當(dāng)大的空氣阻力，因此實現(xiàn)了過阻尼機械響應(yīng)。
為了預(yù)防使用中黏貼，較重的可移動元件可以有一個硬彈簧，制造強大恢復(fù)力的同時，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

汽車ESC應(yīng)用的ASIC電路必須具有廣泛的動態(tài)范圍，同時具有高信噪比、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．廣泛動態(tài)范圍和高信噪比

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

當(dāng)ASIC輸入級電路(一個模擬放大器)與MEMS傳感器一起使用時，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(過取樣頻率)提高了檢測分辨率，信噪比和動態(tài)范圍也因此得以提高。所以，通過降低最小模擬輸入電路的噪聲，提高∑△轉(zhuǎn)換器的檢測分辨率，能夠獲得廣泛的動態(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)在偏置誤差都會造成對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)計用來將過溫偏置變化的影響降至最低。為了進一步減少誤讀，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)圍繞傳感器進行。此外，ASIC芯片還具有增益和偏置的溫度補償功能?？梢詫囟葌鞲衅骷稍谛酒?，如在CMOS工藝中的P型多晶硅電阻器和N型Well電阻器。對于操作溫度范圍內(nèi)的一些點，調(diào)節(jié)碼在測試過程中被儲存在片上非易失性存儲器上。在實際操作過程中，要參考正確的調(diào)節(jié)碼，并補償實際溫度。因此，借助溫度傳感器的調(diào)節(jié)與補償功能和ASIC芯片上的非易失性存儲器，可減少整個溫度范圍內(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自傳感器的數(shù)字編解碼數(shù)據(jù)。即加速計在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)字信號處理器(DSP)，而數(shù)字信號處理器采用比目前市場上的模擬電路更加復(fù)雜的過濾功能，提高信號信息的準(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(甚至是數(shù)字信號)的衰減。因此，數(shù)字通信接口通過ASIC芯片上的∑△轉(zhuǎn)換器、DSP及串行通信接口電路實現(xiàn)。

ESC系統(tǒng)的低重力加速計產(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。MMA6700EG采用HARMEMS技術(shù)，包含XY軸傳感器。ASIC還具有以下特性：

·過阻尼機械響應(yīng)

·廣泛的動態(tài)范圍(±3.5g FS、11位分辨率、66dB)

·高信噪比(大于68 dB)

·增益／偏置調(diào)節(jié)功能

·整個生命周期和溫度范圍內(nèi)只有±75mg偏置誤差

·雙向自測和校準(zhǔn)·串行外設(shè)接口(SPI)

·集成的DSP低通濾波器

以下討論了MMA6700的一些功能。

1．Sigma Delta(∑△)轉(zhuǎn)換器

兩個∑△轉(zhuǎn)換器在X／Y軸MEMS傳感器和DSP電路之間獨立連接。∑△轉(zhuǎn)換器提供脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流，并對DSP進行1MHz采樣。在∑△轉(zhuǎn)換器的輸出部分，有動態(tài)增益控制。當(dāng)較小的信號不一致時，輸入增益較大，而當(dāng)較大的信號不一致時，輸入增益則較小。因此，動態(tài)范圍擴大到超過11位的高分辨率。

2．調(diào)節(jié)和低通濾波器

包含在MMA6700中的DSP有兩個功能。一個是用溫度補償進行增益／偏置調(diào)節(jié)，另一個是低通濾波器。DSP功能框圖如圖5所示。MMA6700能夠調(diào)節(jié)可檢測的加速度范圍，±3.5g或±5g，以便在最終測試線上創(chuàng)造出不同產(chǎn)品。還是在最終測試線，增益／偏置誤差在最高和最低操作溫度范圍內(nèi)測量，并保存這些補償碼。在實際應(yīng)用中，輸出由片上溫度傳感器(TEMP)補償。因此，在整個操作溫度范圍內(nèi)，輸出偏置誤差被控制在±75mg內(nèi)。

此外，低通濾波器功能的截止頻率(8.8Hz～884Hz)可以在最終測試線上按照每個客戶的規(guī)格進行編程。低通濾波器從輸出中刪除高頻噪聲分量，這樣就提高了信噪比。

3．其它功能

MMA6700還具有HOLD功能，能夠在ESC系統(tǒng)的同步定時上測量加速度。雙向自測通過SPI接口控制，并從機械和電氣方面對傳感器的操作完整性進行驗證，而不會產(chǎn)生任何實際加速度。

小結(jié)

本文討論了用于電子穩(wěn)定性控制(ESC)系統(tǒng)的汽車加速計要求。文中根據(jù)采用HARMEMS技術(shù)的飛思卡爾半導(dǎo)體加速計產(chǎn)品，介紹了所涉及的技術(shù)和改進方案。不僅僅是加速計，ESC系統(tǒng)中使用的任何器件都必須與系統(tǒng)級合作伙伴共同開發(fā)。這些系統(tǒng)級合作伙伴制造fail-safe(故障安全)微控制器、制動系統(tǒng)模塊及其集成軟件。