MEMS加速計(jì)致力解決汽車安全問題
[導(dǎo)讀]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(huì)在2003年確立的那個(gè)極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)尚無法實(shí)現(xiàn)，但歐盟27個(gè)成員國(guó)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(shì)，在其他西方國(guó)家情
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(huì)在2003年確立的那個(gè)極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)尚無法實(shí)現(xiàn)，但歐盟27個(gè)成員國(guó)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(shì)，在其他西方國(guó)家情況同樣如此，其中美國(guó)最新公布的調(diào)查結(jié)果。美國(guó)交通部國(guó)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(jié)果是可信的。因?yàn)槿藗儚牧⒎?、道路基礎(chǔ)設(shè)施和駕駛員行為等幾個(gè)因素給予重視，尤其是關(guān)注車輛整體安全性能的提高。安全帶和安全氣囊等被動(dòng)防護(hù)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。現(xiàn) 在，許多政府準(zhǔn)備進(jìn)一步強(qiáng)制實(shí)施相關(guān)計(jì)劃，將側(cè)重點(diǎn)從被動(dòng)安全轉(zhuǎn)移到主動(dòng)安全。在2011年至2020年期間，即將推出一系列新型主動(dòng)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(duì)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)和牽引力控制系統(tǒng)(TCS)的又一次改進(jìn)。它的基本功能是在單個(gè)車輪上采用差分制動(dòng)力和減少發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的方式，以防止車輛打滑并確保其穩(wěn)定性。這一自動(dòng)反應(yīng)功能通過減少轉(zhuǎn)向過大、過小問題來提高車輛的穩(wěn)定性，尤其是在車輛嚴(yán)重側(cè)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(shí)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(cè)量車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。顯然，這為飛思卡爾半導(dǎo)體這樣的MEMS傳感器制造商創(chuàng)造了新的商機(jī)。根據(jù)iSuppli的排名，2009年飛思卡爾半導(dǎo)體是汽車MEMS加速度計(jì)的頭號(hào)供應(yīng)商。
市場(chǎng)視角
過去這15年里ESC通過自身影響力，在安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。幾項(xiàng)國(guó)際研究表明，通過重要數(shù)據(jù)收集，ESC大幅降低撞車風(fēng)險(xiǎn)，每年幫 助挽救了成千上萬人的性命。事實(shí)上，日本、歐洲和美國(guó)的一些汽車制造商已引入該設(shè)備，將它作為部分車輛生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配置，從而大大提高了客戶的安全 利益。豐田和戴姆勒估計(jì)，它能分別將兩家汽車的單一車輛事故風(fēng)險(xiǎn)降低35%-42%。NTHSA預(yù)計(jì)，在2006年這一風(fēng)險(xiǎn)比例可能減少了30%以 上，相當(dāng)于每年減少9600次死亡和252 000次受傷事件。例如，在美國(guó)非常流行的運(yùn)動(dòng)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(guó)政府強(qiáng)制規(guī)定客車必須安裝ESC作為安全設(shè)備：截止到2012年，在美 國(guó)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(huì)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(guó) 家，如巴西、日本和韓國(guó)也已經(jīng)宣布了要在2012年及以后強(qiáng)制采用ESC。2010年ESC在全球的安裝比例已經(jīng)達(dá)到35%左右，但是要實(shí)現(xiàn)全面實(shí)施，仍然還有大量工作亟需完成。
上述強(qiáng)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(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。這主要指包括ESC在內(nèi)的幾大主動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施所帶來 的結(jié)果，預(yù)計(jì)到2014年，ESC系統(tǒng)的實(shí)施數(shù)量將從現(xiàn)在的2600萬上升到4400萬個(gè)。iSuppli估計(jì)，到那時(shí)市場(chǎng)上的MEMS加速度計(jì)數(shù)量將達(dá) 到4770萬，其中獨(dú)立的雙軸低重力傳感器占到66%。事實(shí)上，這些年來系統(tǒng)要求一直在不斷發(fā)展和改進(jìn)，從而能夠更好地適應(yīng)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(zhǔn)確測(cè)量車輛在斜坡上的傾斜度，來集成類似上坡啟動(dòng)和電動(dòng)駐車制動(dòng)器(EPB)等新功能。在增 加這些功能的同時(shí)，又要滿足ESC要求的嚴(yán)格性能，這些要求綜合起來將對(duì)加速計(jì)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(wù)是保持觀察汽車底盤的運(yùn)動(dòng)。由于增加了偏航率傳感器來 測(cè)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(cè)車輛的橫向加速度，從而向系統(tǒng)提供更多的信息。當(dāng)車輛開始下滑并失去控制期間，這個(gè)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(yīng)到十分精確的低重力。這意味著設(shè)備輸出的噪音級(jí)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(jì)必須對(duì)必須對(duì)汽車底盤出現(xiàn)的高頻寄生效應(yīng)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(hào)。為避免破壞傳感器響應(yīng)，高于1kHz的頻率必須要過濾掉。根據(jù)定義，慣性傳感器對(duì)任何來源的加速度都十分敏感，因?yàn)檫@一微加工感應(yīng)元件是基于相對(duì) 于固定板的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的。傳感器輸出信號(hào)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(jī)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(yīng)對(duì)上述所有挑戰(zhàn)的高級(jí)XY軸低重力加速計(jì)。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(shè)計(jì)十分強(qiáng)韌，對(duì)寄生震動(dòng)的免疫力很強(qiáng)，而且有很寬的全格感測(cè)范圍(/ -3,5g)，從而確保翻車時(shí)ESC應(yīng)用仍能在/- 1.7g范圍內(nèi)運(yùn)行。它還在-40°c 至105°C的整個(gè)車輛溫度范圍內(nèi)，提供偏移穩(wěn)定性為/- 50mg 的低噪音輸出。
與大多數(shù)飛思卡爾加速計(jì)一樣，該MMA6900Q設(shè)備包括表面微加工電容式傳感元件和用于信號(hào)調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)換，放大和過濾)的控制ASIC，均組裝在一個(gè)QFN6x6毫米的小型塑料封裝里。
該器件能實(shí)現(xiàn)性能的一個(gè)關(guān)鍵元件是它包含經(jīng)過了驗(yàn)證的高寬比MEMS汽車傳感器(HARMEMS)?！案邔挶取敝傅氖莻鞲衅麝P(guān)鍵力學(xué)特性 的寬度，如整體彈簧系統(tǒng)的彈簧部分或可移動(dòng)和固定電容板之間的空隙。該技術(shù)是通過將一個(gè)25微米厚的SOI層，與DRIE(深反應(yīng)離子蝕刻)定義的狹窄溝 槽組合在一起，從而實(shí)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(jié)構(gòu)后，犧牲氧化層上形成了聚合氣橋(poly air bridge)。之后，再使用定時(shí)化學(xué)腐蝕來釋放MEMS結(jié)構(gòu)。單晶SOI可以更好地控制DRIE工藝，從而使器件在機(jī)械性能方面保持更好的一致性。厚 SOI層加強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)機(jī)械元件的剛性和質(zhì)量，同時(shí)擴(kuò)增了電容。與標(biāo)準(zhǔn)的表面微加工工藝相比，其優(yōu)勢(shì)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(jié)合玻璃熔塊晶圓接合可實(shí)現(xiàn)的比真空密封還高檔的封裝技術(shù)，該傳感器在移動(dòng)時(shí)會(huì)遇到相當(dāng)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(jī)械響應(yīng)。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實(shí)現(xiàn)很小的系統(tǒng)容錯(cuò)。電容板越厚，就意味著封裝應(yīng)力隨溫度變化導(dǎo)致 的傳感器結(jié)構(gòu)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(hào)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。 [!--empirenews.page--]
至于包裝，MMA6900Q則采用16引線的6x6x1.98mm QFN封裝。符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝，使PCB設(shè)計(jì)體積變得更加小巧，而且對(duì)寄生頻率振動(dòng)有更強(qiáng)的免疫力。實(shí)際上，第一個(gè)封裝鼓模式共振頻率大約為 160kHz(每個(gè)FEA結(jié)果)，這遠(yuǎn)高于在車內(nèi)發(fā)現(xiàn)的任何潛在寄生頻率。
飛思卡爾在安全氣囊傳感器的設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真和生產(chǎn)方面具有13年以上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因而能夠?yàn)檎w測(cè)量安全的商討提供可靠的工藝流程和技 術(shù)。由于全球采用的各種強(qiáng)制規(guī)定導(dǎo)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(yīng)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(jìn)行新的系統(tǒng)分區(qū)。雖然被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)的融合會(huì)帶來一些好處，但它同時(shí)也對(duì)傳感器的特性產(chǎn)生了影響，這些特性要求達(dá)到一個(gè)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(jié)合其在新技術(shù) 方面的系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)，積極開發(fā)這些未來解決方案，從而為應(yīng)付這些新的挑戰(zhàn)做好了充分準(zhǔn)備。
市場(chǎng)視角
過去這15年里ESC通過自身影響力，在安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。幾項(xiàng)國(guó)際研究表明，通過重要數(shù)據(jù)收集，ESC大幅降低撞車風(fēng)險(xiǎn)，每年幫 助挽救了成千上萬人的性命。事實(shí)上，日本、歐洲和美國(guó)的一些汽車制造商已引入該設(shè)備，將它作為部分車輛生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配置，從而大大提高了客戶的安全 利益。豐田和戴姆勒估計(jì)，它能分別將兩家汽車的單一車輛事故風(fēng)險(xiǎn)降低35%-42%。NTHSA預(yù)計(jì)，在2006年這一風(fēng)險(xiǎn)比例可能減少了30%以 上，相當(dāng)于每年減少9600次死亡和252 000次受傷事件。例如，在美國(guó)非常流行的運(yùn)動(dòng)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(guó)政府強(qiáng)制規(guī)定客車必須安裝ESC作為安全設(shè)備：截止到2012年，在美 國(guó)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(huì)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(guó) 家，如巴西、日本和韓國(guó)也已經(jīng)宣布了要在2012年及以后強(qiáng)制采用ESC。2010年ESC在全球的安裝比例已經(jīng)達(dá)到35%左右，但是要實(shí)現(xiàn)全面實(shí)施，仍然還有大量工作亟需完成。
上述強(qiáng)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(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。這主要指包括ESC在內(nèi)的幾大主動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施所帶來 的結(jié)果，預(yù)計(jì)到2014年，ESC系統(tǒng)的實(shí)施數(shù)量將從現(xiàn)在的2600萬上升到4400萬個(gè)。iSuppli估計(jì)，到那時(shí)市場(chǎng)上的MEMS加速度計(jì)數(shù)量將達(dá) 到4770萬，其中獨(dú)立的雙軸低重力傳感器占到66%。事實(shí)上，這些年來系統(tǒng)要求一直在不斷發(fā)展和改進(jìn)，從而能夠更好地適應(yīng)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(zhǔn)確測(cè)量車輛在斜坡上的傾斜度，來集成類似上坡啟動(dòng)和電動(dòng)駐車制動(dòng)器(EPB)等新功能。在增 加這些功能的同時(shí)，又要滿足ESC要求的嚴(yán)格性能，這些要求綜合起來將對(duì)加速計(jì)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(wù)是保持觀察汽車底盤的運(yùn)動(dòng)。由于增加了偏航率傳感器來 測(cè)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(cè)車輛的橫向加速度，從而向系統(tǒng)提供更多的信息。當(dāng)車輛開始下滑并失去控制期間，這個(gè)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(yīng)到十分精確的低重力。這意味著設(shè)備輸出的噪音級(jí)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(jì)必須對(duì)必須對(duì)汽車底盤出現(xiàn)的高頻寄生效應(yīng)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(hào)。為避免破壞傳感器響應(yīng)，高于1kHz的頻率必須要過濾掉。根據(jù)定義，慣性傳感器對(duì)任何來源的加速度都十分敏感，因?yàn)檫@一微加工感應(yīng)元件是基于相對(duì) 于固定板的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的。傳感器輸出信號(hào)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(jī)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(yīng)對(duì)上述所有挑戰(zhàn)的高級(jí)XY軸低重力加速計(jì)。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(shè)計(jì)十分強(qiáng)韌，對(duì)寄生震動(dòng)的免疫力很強(qiáng)，而且有很寬的全格感測(cè)范圍(/ -3,5g)，從而確保翻車時(shí)ESC應(yīng)用仍能在/- 1.7g范圍內(nèi)運(yùn)行。它還在-40°c 至105°C的整個(gè)車輛溫度范圍內(nèi)，提供偏移穩(wěn)定性為/- 50mg 的低噪音輸出。
與大多數(shù)飛思卡爾加速計(jì)一樣，該MMA6900Q設(shè)備包括表面微加工電容式傳感元件和用于信號(hào)調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)換，放大和過濾)的控制ASIC，均組裝在一個(gè)QFN6x6毫米的小型塑料封裝里。
該器件能實(shí)現(xiàn)性能的一個(gè)關(guān)鍵元件是它包含經(jīng)過了驗(yàn)證的高寬比MEMS汽車傳感器(HARMEMS)?！案邔挶取敝傅氖莻鞲衅麝P(guān)鍵力學(xué)特性 的寬度，如整體彈簧系統(tǒng)的彈簧部分或可移動(dòng)和固定電容板之間的空隙。該技術(shù)是通過將一個(gè)25微米厚的SOI層，與DRIE(深反應(yīng)離子蝕刻)定義的狹窄溝 槽組合在一起，從而實(shí)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(jié)構(gòu)后，犧牲氧化層上形成了聚合氣橋(poly air bridge)。之后，再使用定時(shí)化學(xué)腐蝕來釋放MEMS結(jié)構(gòu)。單晶SOI可以更好地控制DRIE工藝，從而使器件在機(jī)械性能方面保持更好的一致性。厚 SOI層加強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)機(jī)械元件的剛性和質(zhì)量，同時(shí)擴(kuò)增了電容。與標(biāo)準(zhǔn)的表面微加工工藝相比，其優(yōu)勢(shì)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(jié)合玻璃熔塊晶圓接合可實(shí)現(xiàn)的比真空密封還高檔的封裝技術(shù)，該傳感器在移動(dòng)時(shí)會(huì)遇到相當(dāng)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(jī)械響應(yīng)。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實(shí)現(xiàn)很小的系統(tǒng)容錯(cuò)。電容板越厚，就意味著封裝應(yīng)力隨溫度變化導(dǎo)致 的傳感器結(jié)構(gòu)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(hào)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。 [!--empirenews.page--]
至于包裝，MMA6900Q則采用16引線的6x6x1.98mm QFN封裝。符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝，使PCB設(shè)計(jì)體積變得更加小巧，而且對(duì)寄生頻率振動(dòng)有更強(qiáng)的免疫力。實(shí)際上，第一個(gè)封裝鼓模式共振頻率大約為 160kHz(每個(gè)FEA結(jié)果)，這遠(yuǎn)高于在車內(nèi)發(fā)現(xiàn)的任何潛在寄生頻率。
MEMS加速計(jì)致力解決汽車安全問題 src="/21ic_image/21icimage/zb-images/112/51dcd4f42e9c3-thumb.jpg" height=209>
飛思卡爾在安全氣囊傳感器的設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真和生產(chǎn)方面具有13年以上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因而能夠?yàn)檎w測(cè)量安全的商討提供可靠的工藝流程和技 術(shù)。由于全球采用的各種強(qiáng)制規(guī)定導(dǎo)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(yīng)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(jìn)行新的系統(tǒng)分區(qū)。雖然被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)的融合會(huì)帶來一些好處，但它同時(shí)也對(duì)傳感器的特性產(chǎn)生了影響，這些特性要求達(dá)到一個(gè)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(jié)合其在新技術(shù) 方面的系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)，積極開發(fā)這些未來解決方案，從而為應(yīng)付這些新的挑戰(zhàn)做好了充分準(zhǔn)備。
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