汽車傳感器--系統(tǒng)整合的未來
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傳感器應(yīng)用數(shù)量的急劇增加推動(dòng)著系統(tǒng)整合向縱深方向發(fā)展。諸如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和數(shù)量不斷增加的安全氣囊之類的安全系統(tǒng)都需要用到大量的傳感器。在駕駛艙內(nèi)，傳感器不僅可以幫助控制車內(nèi)溫度，還可以提高空氣質(zhì)量。
系統(tǒng)工程師在決定什么時(shí)候?qū)⑾到y(tǒng)部件整合起來，什么時(shí)候通過離散封裝來獲得更多的選擇方面猶豫不決。同時(shí)，他們不僅要為傳感器提供保護(hù)，還要努力提高數(shù)據(jù)處理的速度。
封裝起來
工程師在無法采用更多傳感器或處理器而還要實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的情況下，他們主要采取電子封裝的方式。將多個(gè)芯片封裝在一起不僅可以節(jié)省空間，還可以節(jié)省成本?，F(xiàn)在已經(jīng)很難找到不采取任何智能封裝方式的傳感器了。
“我們的產(chǎn)品幾乎都采用了雙芯片或多芯片封裝方式，其中MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）芯片及ASIC（專用集成電路）芯片負(fù)責(zé)校準(zhǔn)和濾波工作，”飛思卡爾半導(dǎo)體汽車傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Dave Monk表示?！坝袝r(shí)候是否需要這種方式有其邏輯性在里面?！?
一旦A SIC芯片和傳感器封裝在一起，下一步就不太確定了。一些設(shè)計(jì)小組想在這些多芯片封裝模塊中加入更多的傳感器。
這時(shí)他們往往會(huì)效仿許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的做法，即采取一種將多個(gè)不同傳感器放到單一慣性測(cè)量單元里的系統(tǒng)架構(gòu)。這種集中式的做法可以幫助他們減少一兩個(gè)控制器，甚至還可以省去電源供應(yīng)器或電氣外殼。如果成本允許的話，工程師們可以在同一個(gè)載板上放幾個(gè)傳感器，將其封裝在一個(gè)多芯片模塊中。
網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)這些傳感器模塊來說非常重要——在碰撞中這些傳感器會(huì)被激活并發(fā)送出幾個(gè)字節(jié)大小的數(shù)據(jù)?？尚械能囕d網(wǎng)絡(luò)連接方式是LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）總線。
“ 讓多傳感器模塊中所有的傳感器可以共享同一個(gè)L I N 接口芯片，這是降低成本的主要方式，”Melexis Inc紅外線測(cè)溫儀產(chǎn)品經(jīng)理Luc Buydens說道。
不過有一些設(shè)計(jì)小組的做法比較謹(jǐn)慎，他們指出傳感器的價(jià)格差別相當(dāng)大。加速度計(jì)的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陀螺儀，這就存在一個(gè)潛在的問題——如果加速度計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)把整個(gè)封裝模塊都扔掉顯然會(huì)大幅增加系統(tǒng)的成本。
“我們會(huì)非常小心地決定將哪些產(chǎn)品封裝在一起，”亞德諾半導(dǎo)體公司MEMS及傳感器技術(shù)團(tuán)隊(duì)成員Rob O’Reilly表示?！皩⒓铀俣扔?jì)與陀螺儀封裝在一起可能沒有什么問題，但是一旦出現(xiàn)問題就難說了?！?
▲越來越多的傳感器模塊通過LIN網(wǎng)絡(luò)將它們提供的少量數(shù)據(jù)分享給控制器。
▲隨著傳感器數(shù)量的不斷增加，Analog Devices公司提供的雙軸和三軸加速度計(jì)和陀螺儀都放置在中央慣性測(cè)量單元內(nèi)。
對(duì)車廂內(nèi)的應(yīng)用來說，這種擔(dān)憂就會(huì)少很多，因?yàn)樵S多用于提高乘坐舒適性的傳感器的價(jià)格都差不多。這樣相對(duì)來說，工程師不用增加多少成本就可以增加一些功能，比如在豪華車中加上空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或在普通消費(fèi)車輛中加一些諸如雙區(qū)溫度控制等的功能。
“對(duì)車廂舒適性來說，你可以將空氣/ 紅外線溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器以及擋風(fēng)玻璃溫度傳感器等整合在一個(gè)模塊中——所有這些都通過LIN網(wǎng)絡(luò)連接，”Buydens表示。
不管傳感器模塊在什么位置或里面包含什么，封裝產(chǎn)品還可以拓展它們提供的保護(hù)的范圍。這些封裝產(chǎn)品的主要目的是保護(hù)傳感器；這些傳感器中常常包含感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的微量硅元素。此外，封裝產(chǎn)品還要解決電磁干擾（EM I）的問題?！癊MI是電子封裝遇到的最大問題，”O(jiān)’Reilly說。
還有其他一些因素也使EMI保護(hù)更加重要。一方面，電子器件的頻率都提升了很多。此外，車輛中電子功能越來越豐富，同時(shí)應(yīng)用到汽車上的消費(fèi)類電子產(chǎn)品也越來越多。
如果EMI控制得不好的話，間斷性的干擾問題會(huì)帶來許多難題。
汽車制造商也在改變測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，從1GHz頻率的200V/m提高到4GHz品的400V/m?！懊刻岣?00V，測(cè)試的難度就會(huì)呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，”O(jiān)’Reilly說?！拔覀儚囊郧爸会槍?duì)模塊進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在模塊內(nèi)每個(gè)元件都要測(cè)試。”
芯片用戶和供應(yīng)商常常不得不將多個(gè)傳感器整合到一塊硅片上，而采用多芯片組件可以減少他們面臨的這種壓力。不過，采用整合的方式可以降低成本，因此汽車制造商希望可以從消費(fèi)市場(chǎng)采用的傳感器整合方式中受益。
一些游戲產(chǎn)品如任天堂的Wii為M E M S 傳感器開啟了巨大的應(yīng)用市場(chǎng)——這種傳感器不但成本低，還不怕振動(dòng)。汽車制造商希望可以從這種行業(yè)中吸取經(jīng)驗(yàn)。
“游戲產(chǎn)品采用的加速度計(jì)和陀螺儀的整合水平較高。在未來，我們還會(huì)看到越來越多來自消費(fèi)市場(chǎng)的技術(shù)被嫁接到汽車上，”STMicroelectronics公司高級(jí)動(dòng)力系及安全市場(chǎng)技術(shù)經(jīng)理Hubert Conti-Geitner表示。
他還指出，汽車制造商剛開始采用雙軸陀螺儀，而消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)開始供應(yīng)帶有三軸陀螺儀的系統(tǒng)了。對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品來說，陀螺儀和加速度計(jì)可以整合在一個(gè)芯片上。
不過，這種整合方式是否可以應(yīng)用在汽車市場(chǎng)目前還不得而知。將所有東西都整合到一個(gè)硅晶片上可以降低成本，但是這也限制了應(yīng)用的靈活性。不同的汽車有不同的要求，因此汽車制造商可能不會(huì)在所有品牌或車型上都采用同一塊芯片。
“高水平的整合需要市場(chǎng)是穩(wěn)定的，變化比較少，”Conti-Geitner說。“整合需要很多金錢和時(shí)間的投入。如果整合的芯片解析度為30度/秒，而你需要的是15度/秒，這會(huì)出現(xiàn)問題?！?
在最終方案確定之前，工程師們還需要仔細(xì)研究其他類型的整合方式。雖然可以將傳感器和邏輯功能整合到同一個(gè)芯片上，但是這種做法比較少。MEMS技術(shù)的線寬比邏輯裝置要大很多，因此將他們整合起來的效率并不高。
比如，加速度計(jì)有靈敏度，來確定感應(yīng)裝置的構(gòu)建方式。類似制動(dòng)和安全氣囊等應(yīng)用需要的靈敏度完全不同，因此各個(gè)系統(tǒng)要采用不同的加速度計(jì)。
“對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)來說，許多公司設(shè)置的靈敏度為2g，”飛思卡爾半導(dǎo)體公司全球汽車戰(zhàn)略經(jīng)理Marc Osajda說。“而對(duì)安全氣囊來說，靈敏度大概在40g左右。”
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望多個(gè)系統(tǒng)可以采用一個(gè)傳感器，但是這顯然是不太可能的。
“底盤穩(wěn)定性通常需要大量的優(yōu)化工作，以確保駕駛員感受不到來自地面的顛簸，而這需要靈敏度比較低的加速度計(jì)，”Analog Devices公司汽車安全業(yè)務(wù)市場(chǎng)經(jīng)理Max Liberman表示。“一些開發(fā)人員試圖利用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）中的傳感器，但是更多人認(rèn)為應(yīng)該單獨(dú)采用一到兩個(gè)加速度計(jì)。” 加速度計(jì)相關(guān)文章:加速度計(jì)原理
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