MEMS加速计致力解决汽车安全问题

现在，许多政府准备进一步强制实施相关计划，将侧重点从被动安全转移到主动安全。在2011年至2020年期间，即将推出一系列新型主动安全系统来防止碰车，其中包括车辆电子稳定控制（ESC）。ESC是对防抱死制动系统（ABS）和牵引力控制系统（TCS）的又一次改进。它的基本功能是在单个车轮上采用差分制动力和减少发动机扭矩的方式，以防止车辆打滑并确保其稳定性。这一自动反应功能通过减少转向过大、过小问题来提高车辆的稳定性，尤其是在车辆严重侧偏，路面摩擦力小的情况下。ABS系统必须增添额外的传感器来实现ESP功能，包括方向盘角度传感器、偏航速率传感器和低重力加速度传感器，这些传感器都用来测量车辆的动态响应。显然，这为飞思卡尔半导体这样的MEMS传感器制造商创造了新的商机。

市场视角

过去这15年里ESC通过自身影响力，在安全领域做出了巨大贡献。几项国际研究表明，通过重要数据收集，ESC大幅降低撞车风险，每年帮助挽救了成千上万人的性命［4］。事实上，日本、欧洲和美国的一些汽车制造商已引入该设备，将它作为部分车辆生产线的标准配置，从而大大提高了客户的安全利益。丰田和戴姆勒估计，它能分别将两家汽车的单一车辆事故风险降低35％-42%［5］。NTHSA预计，在2006年这一风险比例可能减少了30％以上，相当于每年减少9600次死亡和252 000次受伤事件。例如，在美国非常流行的运动型多功能车辆（SUV），由于其重心高，因而在艰难的驾驶条件下容易发生翻车或方向盘失去控制。装备ESC后，这款车型发生翻车的可能性大大减少80％以上［6］。有了这样的安全保障，各国政府强制规定客车必须安装ESC作为安全设备：截止到2012年，在美国出售的最高吨位为4.5吨的所有新型车辆将必须配置ESC［7］。欧盟委员会则规定，截止到2014年11月为止，所有新车辆都要安装ESC；其他国家，如巴西、日本和韩国也已经宣布了要在2012年及以后强制采用ESC。2010年ESC在全球的安装比例已经达到35％左右，但是要实现全面实施，仍然还有大量工作亟需完成。

上述强制规定将使ESC的需求变得很大，并且据Strategy Analytics最近公布的消息显示，在2009至2014年期间，安全系统将是增长最快的应用之一。这主要指包括ESC在内的几大主动系统实施所带来的结果，预计到2014年，ESC系统的实施数量将从现在的2600万上升到4400万个。iSuppli估计，到那时市场上的MEMS加速度计数量将达到4770万，其中独立的双轴低重力传感器占到66％。事实上，这些年来系统要求一直在不断发展和改进，从而能够更好地适应各种车型（如四轮轿车）和不同天气条件下的道路需求。双轴低重力传感器的使用，则可以通过准确测量车辆在斜坡上的倾斜度，来集成类似上坡启动和电动驻车制动器（EPB）等新功能。在增加这些功能的同时，又要满足ESC要求的严格性能，这些要求综合起来将对加速计提出巨大的挑战。

传感器要求

在ESC系统中，各种MEMS传感器通常安装在距离车辆重心很近的位置，它们的任务是保持观察汽车底盘的运动。由于增加了偏航率传感器来测量垂直轴的角加速度，低重力惯性传感器则可以被用来检测车辆的横向加速度，从而向系统提供更多的信息。当车辆开始下滑并失去控制期间，这个加速度不到1g。因此，该惯性传感器必须具有极好的灵敏度来感应到十分精确的低重力。这意味着设备输出的噪音级别要求很低，而且零重力加速度在不同温度中的变化小。此外，加速计必须对必须对汽车底盘出现的高频寄生效应具有免疫力。在正常驾驶条件下的几百赫兹到路面冲击造成的几千赫兹范围内，可以发现大频率带宽的低能量信号。为避免破坏传感器响应，高于1kHz的频率必须要过滤掉。根据定义，惯性传感器对任何来源的加速度都十分敏感，因为这一微加工感应元件是基于相对于固定板的质量块运动的。传感器输出信号往往通过电子低通滤波来清除高频寄生。拥有过阻尼功能的传感器，可以消除多余的高频加速度内容，这在机械方面又提供了一大好处。

飞思卡尔推出的MMA6900Q，是一款能应对上述所有挑战的高级XY轴低重力加速计。它提供十分有用的特性和功能，使其能完全适合ESC系统的需求。该产品设计十分强韧，对寄生震动的免疫力很强，而且有很宽的全格感测范围（+/ -3，5g），从而确保翻车时ESC应用仍能在+/- 1.7g范围内运行。它还在-40°c 至105°C的整个车辆温度范围内，提供偏移稳定性为+/- 50mg 的低噪音输出。

技术

与大多数飞思卡尔加速计一样，该MMA6900Q设备包括表面微加工电容式传感元件和用于信号调节（转换，放大和过滤）的控制ASIC，均组装在一个QFN6x6毫米的小型塑料封装里。

该器件能实现性能的一个关键元件是它包含经过了验证的高宽比MEMS汽车传感器（HARMEMS）。“高宽比”指的是传感器关键力学特性的宽度，如整体弹簧系统的弹簧部分或可移动和固定电容板之间的空隙。该技术是通过将一个25微米厚的SOI层，与DRIE（深反应离子蚀刻）定义的狭窄沟槽组合在一起，从而实现了这一高宽比。HARMEMS绝缘体上硅（SOI）工艺采用多晶硅沉积层（带气桥），组成了MEMS芯片的电气连接。用DRIE组成MEMS结构后，牺牲氧化层上形成了聚合气桥（poly air bridge）。之后，再使用定时化学腐蚀来释放MEMS结构。单晶SOI可以更好地控制DRIE工艺，从而使器件在机械性能方面保持更好的一致性。厚SOI层加强了运动机械元件的刚性和质量，同时扩增了电容。与标准的表面微加工工艺相比，其优势在于灵敏度和噪声性能都有所提高，并且由于它更好地减轻了使用中可能出现的黏附，从而提高了可靠性。结合玻璃熔块晶圆接合可实现的比真空密封还高档的封装技術，该传感器在移动时会遇到相当大的空气阻力，从而以低于1kHz的自然截止频率提供过阻尼机械响应。最后，由于MEMS工艺的高宽比，还可以实现很小的系统容错。电容板越厚，就意味着封装应力随温度变化导致的传感器结构板变形越小。而且，HARMEMS现在已经改善了信噪比，这意味着传感器系统的传感信号增益有所减少。这样传感器、ASIC或封装的故障就减少了，从而使得产品系统的总故障数量减少。

在信号调试中，则使用已经过验证的0.25微米模拟混合信号技术，该技术包括精密的模拟模块和高速CMOS逻辑。25000个门控/mm2这样的高密度，允许集成带大量参数微调选项的复杂数字信号处理模块（DSP）。用于X和Y通道的两个独立的16位Σ-Δ转换器，则提供了传感元件和DSP之间的接口。由于ΣΔ转换带来的较高过采样频率，以及信噪比和动态范围扩大，它们的检测分辨率不断得到改进。在出现加速度过载后，该器件最长恢复时间为4毫秒。全数字信号调试在实施中应用了桥接的优势，如可编程（过滤器和加速范围）和自动诊断。数据完整性特性改善了系统的失败安全策略，如编程数据数组和SPI命令的连续奇偶性确定，能够在运行中检测潜在的“位翻转”。如果任何一项完整性校验失败，器件会立刻发送错误信息，避免将在通信故障曲解为有效的加速度测量。该器件的温度和所有关键内部电压都实行连续监测，因而加速度测量的精度有所提高。一旦电压超过可接受范围或者在温度超过一定阈值时发送了错误消息，那么该器件就会复位。它提供了11位的无噪音数据输出，降低了对PCB布线的影响感应。此外，它通过提供3.3V或5V的双电源，为系统设计人员带来更多的灵活性。

至于包装，MMA6900Q则采用16引线的6x6x1.98mm QFN封装。符合行业标准的封装，使PCB设计体积变得更加小巧，而且对寄生频率振动有更强的免疫力。实际上，第一个封装鼓模式共振频率大约为160kHz（每个FEA结果），这远高于在车内发现的任何潜在寄生频率。

未来发展

飞思卡尔在安全气囊传感器的设计、测试、仿真和生产方面具有13年以上的相关经验，因而能够为整体测量安全的商讨提供可靠的工艺流程和技术。由于全球采用的各种强制规定导致传感器体积变大，这又带来了新的挑战，特别是在系统成本方面。汽车供应商和汽车制造商将各种安全模块（如安全气囊和ESC）集成起来，意在进行新的系统分区。虽然被动和主动安全系统的融合会带来一些好处，但它同时也对传感器的特性产生了影响，这些特性要求达到一个新的整合水平。多轴组件是必须要提供的，它将不同传感元件，如偏航率+低重里或中等重力+低重力传感器集成起来，提供不同的模块配置。飞思卡尔结合其在新技术方面的系统专业技术，积极开发这些未来解决方案，从而为应付这些新的挑战做好了充分准备。