精確可靠的汽車應(yīng)用加速計

MEMS 加速計在汽車安全氣囊應(yīng)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(zhuǎn)彎時的意外側(cè)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(cè)滑時加速度小于1g，因此加速計必須非常靈敏，才能夠感應(yīng)低重力移動。感應(yīng)響應(yīng)也必須在操作溫度范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(shù)的精確、可靠的加速計，這款加速計可用于先進的ESC系統(tǒng)。

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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(chǎn)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(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)與各種標準或?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(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．超程停止和黏附預防