汽車傳感器技術(shù)推動非車用嵌入式設(shè)計的發(fā)展

　　具有更多智能的汽車需要配備各種各樣牢靠而又廉價的傳感器，其中許多傳感器證明在其它嵌入式系統(tǒng)中也是非常適用的。而且，數(shù)字編程技術(shù)也正在簡化這些汽車傳感器適應(yīng)于新領(lǐng)域的開發(fā)過程。

     目前，轎車、卡車和公共汽車既是一種機(jī)械設(shè)備，同樣也幾乎是一種電子裝置。隨著越來越多的汽車增加先進(jìn)的功能，如穩(wěn)定性控制和電子油門控制，汽車的電子含量還在不斷增加。由于電子系統(tǒng)只依靠電信號工作，所以汽車需要用傳感器將各種光激勵、化學(xué)激勵和機(jī)械激勵轉(zhuǎn)換成電信號。盡管傳感器歷來是非常昂貴的，但汽車傳感器卻不能太貴，因為對汽車（甚至高檔豪華汽車）制造而言，成本始終是一個極為敏感的因素。然而，盡管有成本方面的嚴(yán)格限制，但汽車傳感器的設(shè)計者們卻不能只圖省錢。這些傳感器必須能在惡劣的溫度、濕度、沖擊、震動和電磁干擾的環(huán)境下可靠地工作許多年，當(dāng)然這些極端工作條件會大大縮短相應(yīng)常規(guī)傳感器的使用壽命。
　　這種具有挑戰(zhàn)性的局面，對那些基于非汽車傳感器的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計師來說，卻是一個真正的好消息。這些設(shè)計師常常發(fā)現(xiàn)，他們可以使原先為汽車開發(fā)的傳感器也適應(yīng)于別的應(yīng)用場合。因為使用 
在汽車上的這些傳感器價格雖低，但可靠性極高。而且，現(xiàn)在的可編程技術(shù)也便于修改數(shù)量日益增多的汽車傳感器特性，使它們達(dá)到新的用途的要求。
　　如今，許多車用傳感器都是使用IC工藝制造的，其中有些工藝可生產(chǎn)既有模擬功能又有非易失性存儲器的芯片。這種方法允許對每一個器件進(jìn)行校正和編程，以彌補(bǔ)制造上的缺陷。因此，可編程性可以使器件制造商放寬公差，從而在降低成本的同時提高器件成品率。
　　但是，IC設(shè)計者們必須仔細(xì)地逐項考慮增加可編程性是否能夠真正地降低傳感器芯片的成本。這種權(quán)衡可能是極其棘手的。如果考慮不當(dāng)，將非易失性存儲器添加到主要是模擬功能的芯片上就會導(dǎo)致成本上升而不是下降。要將非易失性RAM與模擬功能結(jié)合在一起，需要使用更加復(fù)雜的晶圓片加工工藝，存儲器會增加芯片面積，從而降低了成品率，而編程則會增加測試時間。
　　盡管IC技術(shù)在汽車傳感技術(shù)中日益占居主導(dǎo)地位的理由很充足，但并非所有的汽車傳感器都是采用IC的。遠(yuǎn)非如此。不過，現(xiàn)在還沒有任何別的制造技術(shù)能如此適合生產(chǎn)這些傳感器。制造IC的成批加工工藝可以生產(chǎn)大量的、功能特性受到精確控制的器件，其結(jié)果是器件成本極低。事實上，許多汽車傳感器IC的封裝成本已經(jīng)高于芯片的成本。即使這樣，封裝后的器件成本通常也比用其它方法生產(chǎn)的器件低?？梢哉f，在許多情況下，即使是汽車制造商愿意支付相當(dāng)高的費用（何況他們事實上不愿意），用其它方法根本就生產(chǎn)不出合適的器件來的。

　　封裝占用一筆很大的成本

　　封裝成本在汽車傳感器的成本中占有很大比重，對此誰也不會感到意外。封裝必須保護(hù)本來就脆弱的芯片不受極端環(huán)境的影響。再則，某些IC傳感器對封裝提出了極為苛刻的要求。例如，某些位置傳感器要求精確監(jiān)控制IC芯片相對于封裝外部特征的位置。要滿足這些要求，需要專門的裝配工藝和夾具。
　　即使沒有提出這類特殊要求，汽車傳感器的封裝也必須保護(hù)芯片免遭大多數(shù)商用器件從未遇到過的工作條件的影響。不僅芯片，而且封裝包封本身也必須保證能在-40～ +125°C的溫度范圍內(nèi)正常工作（對安裝在發(fā)動機(jī)組件上的IC，其工作溫度范圍是-40～ +150°C）。再則，封裝必須保護(hù)芯片免受高濕度的影響，在某些情況下還要抗鹽霧的影響。封裝還必須保護(hù)芯片免受極端沖擊和震動的影響，而芯片本身還必須承受很強(qiáng)的靜電場和RF電磁場的干擾。這些要求通常與軍事裝備和航天設(shè)備中所用IC的要求相同，只在某些場合單位體積可以放松一些，而且汽車公司也不會以軍用品的價格來支付，在某些情況下，甚至還要求低于普通商品的價格來支付。
　　你也許認(rèn)為，汽車設(shè)備中大量使用完全相同的傳感器會使定制封裝符合汽車客戶的心意。但是，汽車傳感器的購買者在可能的情況下寧愿購買標(biāo)準(zhǔn)化封裝的IC，至少從尺寸的角度來說是這樣。標(biāo)準(zhǔn)封裝的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（如測試插座）早已存在，因此，找到多家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)封裝IC的廠家要比尋找多家特殊封裝IC制造商更容易。IC傳感器制造商們估計，他們生產(chǎn)的汽車傳感器至少有一半是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外形封裝的。
　　盡管尺寸是標(biāo)準(zhǔn)化的，但幾乎所有這些封裝都是IC或封裝制造商使之適用于汽車行業(yè)的版本。ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）已經(jīng)制定了有關(guān)汽車用IC和IC封裝性能各個方面的標(biāo)準(zhǔn)。其中一項標(biāo)準(zhǔn)，即ISO/TR 7637/1，包含了器件承受ESD（靜電放電）的性能規(guī)范。
　　有些時候，對商用級器件進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于汽車設(shè)備，需要對封裝給予更多特別的關(guān)注。各種改進(jìn)可能要求大大改變晶圓片加工工藝。比如說裝在發(fā)動機(jī)罩下面的光傳感器就是這種情況。一般來說，光電二極管探測器的工作溫度只能達(dá)到85°C，超過這一溫度（在少數(shù)情況下，可以超過100℃），
反向偏置的光電二極管的漏電流就會過大。但是，改變該器件摻雜就可使它在125℃的環(huán)境溫度下工作。
　　螺旋形的供應(yīng)鏈
　　購買傳感器的大多不是汽車制造商本身，而是汽車制造商的供應(yīng)商，或者是向汽車制造商提供組件的供應(yīng)商。舉例來說，公司A可能向公司B出售電動車窗調(diào)節(jié)器（特種電動機(jī)），而公司B則將完整的車門組件賣給制造汽車的公司C。在這種情況下，最有可能需要第二家供貨商的公司是公司B，然而，公司B很可能會誤以為自己擁有多個供貨商。
　　假定電動車窗調(diào)節(jié)器是一種以電動機(jī)為主制造的新型"一按即上升"裝置，內(nèi)含撬桿（或遮擋）傳感器。為了防止有人因其手或頸檔住窗戶向上運(yùn)動而受傷，老式調(diào)節(jié)器要求駕駛員或乘客在窗戶向上運(yùn)動期間始終按住按鈕。而"一按即上升"調(diào)節(jié)器只需要按一下就行了；如果一個芯片上的傳感器能確定電動機(jī)的扭矩過大，則電動機(jī)里的控制IC就會使窗戶反向運(yùn)動。即使是公司B有第二家供應(yīng)商D可供應(yīng)調(diào)節(jié)器，公司A和D都可能從公司E獲得這種檢測撬桿的電動機(jī)控制IC。因此，如果公司E那里出了問題，就會停止向公司A、D供應(yīng)這種調(diào)節(jié)器。
　　有些非汽車用嵌入式系統(tǒng)采用為汽車設(shè)備開發(fā)的元件。這種非汽車用嵌入式系統(tǒng)的開 
發(fā)人員所關(guān)心的一個問題是將來能否得到必需的支持。許多非汽車公司想購買這些元件，但購買較少，只有幾千甚至幾百，而汽車供應(yīng)商簽訂合約購買的元件數(shù)量則是幾十萬，或幾百萬個。
　　半導(dǎo)體制造商對這樣的問題有幾種答復(fù)。首先，他們說，他們認(rèn)識到非汽車傳感器的總銷售潛力可能是一筆有利可圖的大買賣。為了向設(shè)備設(shè)計師們提供他們所需要的信息，大多數(shù)制造汽車傳感器的IC公司都公布詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，其中有打算將這些元件用于非汽車設(shè)備的設(shè)計工程師們所需的各種信息。IC公司也正努力提高其分銷商的應(yīng)用支持能力。此外，有幾家IC公司說，它們的工廠應(yīng)用支持人員真的盼望著能為購買量不大的客戶提供幫助。
　　有些公司（例如Melexis公司）不僅提供演示板，而且還提供其傳感器產(chǎn)品的開發(fā)套件。Melexis公司已經(jīng)建立了它自己的網(wǎng)站，讓客戶上網(wǎng)購買這些器材。內(nèi)含非易失性RAM的傳感器，之所以可以網(wǎng)上購買，是因為對于傳感器規(guī)范制定者和使用這些器件的設(shè)備設(shè)計師們來說，可編程性是一個關(guān)鍵的問題。IC公司認(rèn)識到，它們必須提供能使那些設(shè)計師在實驗室里為傳感器編程的信息和設(shè)備。此外，設(shè)備制造商們也常常需要在生產(chǎn)中用不同的工具來對傳感器IC進(jìn)行編程，而IC公司則承諾為這一設(shè)備提供或開發(fā)相應(yīng)的資源。

　　多樣化需要

　　現(xiàn)代汽車使用的傳感器種類繁多。

    圖1示出了幾種傳感器裝在現(xiàn)代豪華小汽車中什么地方。表1的矩陣列出了若干被測參數(shù)值和通常用來測量這些參數(shù)的技術(shù)（傳感器種類）。但是，這一矩陣是不全面的。例如，它既沒有包括流量傳感器，也沒有列出檢測具體化學(xué)成分和元素（如O2）的傳感器（圖2）?；瘜W(xué)傳感器是汽車排放控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件?！　?/p>

    參考文獻(xiàn)1比較全面地闡述了可用的部件和技術(shù)。但是要記住，因為該書是一家主要的汽車傳感器制造商編寫的，所以它引用的例子全都是來自自己公司的各個產(chǎn)品系列。
　　目前被認(rèn)為幾乎與汽車設(shè)備同義的一個傳感技術(shù)領(lǐng)域是基于MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的加速度計。正如參考文獻(xiàn)2所述，盡管MEMS器件的制造與IC的制造密切相關(guān)，而且某些基于MEMS的傳感器就是既有傳感元件又有IC信號調(diào)節(jié)器的一塊芯片，但是MEMS制造商不喜歡把它們的產(chǎn)品稱之為IC。
　　然而，有些批量生產(chǎn)的、指甲大?。ɑ蚋。┑牧畠r器件能檢測或產(chǎn)生運(yùn)動，這種器件的思路既新穎又與眾不同，足以使人有科幻的感覺。毫無疑問，以MEMS為基礎(chǔ)的汽車傳感器的應(yīng)用，除了當(dāng)今電容式加速度計之外還將繼續(xù)擴(kuò)大。確實，MEMS很有可能會成為首要的汽車傳感器技術(shù)，例如，據(jù)報道，一些MEMS制造商正在積極地開發(fā)以MEMS為基礎(chǔ)的陀螺儀。
　　遠(yuǎn)不如MEMS傳感器那樣具有吸引力但仍然占有極為重要地位的是磁性器件，例如參考文獻(xiàn)3所述的傳感器。盡管參考文獻(xiàn)3所述的旋轉(zhuǎn)位置傳感器和速度傳感器大多利用霍爾效應(yīng)，但是某些較新的傳感器則是以GMR（巨磁阻）效應(yīng)為基礎(chǔ)的。GMR技術(shù)因其在提高硬盤驅(qū)動器的面密度方面的重要性而受到廣泛關(guān)注。但是，霍爾器件的優(yōu)點在于它能夠?qū)z測功能和信號的調(diào)節(jié)功能組合在一塊IC芯片上。圖3示出了磁阻角度傳感器在汽車上的應(yīng)用。

　　在汽車上設(shè)置總線

　　汽車傳感器提供數(shù)據(jù)的方法是許多論文（如參考文獻(xiàn)４和５）的主題。大多數(shù)傳感器基本上都是以模擬方式檢測物理現(xiàn)象的模擬傳感器。幾十年來，每一種傳感器產(chǎn)生的模擬輸出，對于該傳感器技術(shù)所檢測的變量范圍而言都是獨一無二的。把這些輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳玫男问绞仟毩⒌男盘栒{(diào)節(jié)器的任務(wù)，而該調(diào)節(jié)器通常都以電路模塊的形式出現(xiàn)。傳感元件的輸出常常是一個低電平模擬電壓或電流，而且常常是被檢測變量的非線性函數(shù)。當(dāng)今的原始（或不存在的）計算函數(shù)需要線性化的高電平輸出，按照被測變量進(jìn)行標(biāo)度，并且經(jīng)常對補(bǔ)償和增益進(jìn)行修正。后來，又常常將幾種傳感器和信號調(diào)節(jié)電路集成在一起，并且將輸出設(shè)定成標(biāo)準(zhǔn)范圍值。在工業(yè)應(yīng)用，特別是在過程控制中，輸出范圍標(biāo)稱值為4～ 20 mA。
　　由于A/D變換器的尺寸大大縮小，成本顯著降低，已使人們能夠生產(chǎn)出成本幾乎不比模擬電路高的小型數(shù)字輸出信號調(diào)節(jié)器。數(shù)字通信的廣泛應(yīng)用推動了可通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字協(xié)議進(jìn)行通信的信號調(diào)節(jié)器的設(shè)計?；贗C技術(shù)的傳感器的發(fā)展，使人們有可能將傳感器、信號調(diào)節(jié)器和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字接口集成在一塊低成本的IC上。即使是這樣，許多現(xiàn)代汽車仍然在采用模塊化的信號調(diào)節(jié)器，例如圖4所示的信號調(diào)節(jié)器。

　　雖然這一結(jié)果聽起來很棒，但也不是沒有問題存在。一個主要問題在于掌握這種技術(shù)很容易，或者是有太多的電子工程師們太有創(chuàng)造力，或者是他們過高估計自己的創(chuàng)造力?，F(xiàn)在看來，好像每位在世的電子工程師都至少設(shè)計了一種新型總線和相關(guān)的通信協(xié)議，而這些總線和協(xié)議中任何兩個都是不相兼容的。那座由過多互不兼容的總線和協(xié)議"標(biāo)準(zhǔn)"所構(gòu)建的巴比通天塔造成了時間、精力和金錢的巨大浪費。
　　汽車工業(yè)不能不受到這些總線競爭的影響。最著名的汽車總線是CAN（控制器區(qū)域網(wǎng)，參考文獻(xiàn)4）。CAN最初在歐洲的汽車制造商中擁有一批支持者。而一種較新的總線是LIN（本地互連網(wǎng)），它不是為了取代CAN，而是對CAM的補(bǔ)充。LIN是一種低成本的總線，用于對汽車主人的安全并不十分重要的應(yīng)用場合。在LIN協(xié)會的網(wǎng)站上，你可以了解到大量汽車公司和電子公司正在使用LIN總線。

　　內(nèi)容提要
　　· 傳感器已經(jīng)在汽車設(shè)計中起主要角色的作用。這一作用隨著汽車功能（如穩(wěn)定性控制和電子油門控制）的增多而愈來愈大。
　　· 對于許多種傳感器來說，只有IC技術(shù)才能生產(chǎn)出滿足汽車工業(yè)要求的器件，亦即這些器件成本低，能在極端的環(huán)境下可靠地工作許多年。
　　· 既有探測功能又有非易失性RAM的IC可使器件制造商對芯片進(jìn)行編程，以彌補(bǔ)制造上的缺陷。但是，設(shè)計師們必須想方設(shè)法防止這種混合IC的成本上升。
　　· 可編程性使非汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師對汽車傳感器進(jìn)行修改，使之適合他們的需要，而可以以低成本獲得牢固性和高可靠性。