汽車智商提高的背后 傳感器的應用與挑戰(zhàn)

許多年來，用于測量壓力、溫度和加速度等量值的傳感器一直是汽車電子的主角。但大量需要具備此類功能的系統(tǒng)，諸如燃油噴射控制、燃油經(jīng)濟性和安全系統(tǒng)(包括“智能”氣囊和胎壓監(jiān)測)，已經(jīng)超越在需要的地方安放一個傳感器并將感應信號送回控制單元這樣一種水平。

各種數(shù)字總線系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠方便地實現(xiàn)集中化處理及簡化的線束連接，并且使得充分利用集成在負責數(shù)據(jù)采集的傳感器內部的處理智能的優(yōu)勢成為可能。但這樣一種架構也帶來了可靠性方面的隱憂；此外，典型汽車應用在不斷降低成本方面也面臨著不少挑戰(zhàn)。

類似控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)以及更強大的FlexRay總線等高速總線，傳統(tǒng)上用在類似引擎和底盤控制等需要密集計算、快速處理的場合。而低成本、單線連接的本地互連網(wǎng)絡(LIN)是為諸如座椅定位和溫度控制等對速度要求不苛刻、但著重于簡單性和低成本的車身電子應用開發(fā)的。單線式(single-wire)LIN還意味著更輕的重量，從而能夠帶來更佳的燃油經(jīng)濟性。

德州儀器(TI)的全球先進嵌入式控制營銷經(jīng)理Matthias Poppel表示，能將控制IC與傳感器放在被監(jiān)控的機械部分上，能夠節(jié)省空間及簡化系統(tǒng)中央處理器的處理工作。但他接著說，這種將機械和電子整合在一起的機電一體化傳感器的可靠性是個問題。“其靈活性也不夠(對設計工程師來說)，因為這種集成傳感器也許只有一個供應商，而由分立器件組合起來的部件一般有數(shù)家供應商，”他補充道。

按Poppel的觀點，“向32位MCU的轉變以及接至機械部分的附屬(satellite)處理器/傳感器構造還有待進考驗。”他舉例說，裝配有附接至一個測量器件的機電傳感器(mechatronic sensor)的PCB必須進行測試和驗證，以確保在任何可預期的動作、負載、溫度和振動條件下的穩(wěn)定和可靠性。

飛思卡爾半導體傳感器業(yè)務部的可編程控制器功率高級行銷經(jīng)理Steve Henry也提到了對傳感器可靠性的關注及封裝對其的影響。“例如，對傳感器-加速計的挑戰(zhàn)是用戶希望整合在一起的傳感器和控制器IC能有更小的封裝。”

Henry表示，飛思卡爾提供了一款6mm×6mm QFN表面貼裝的微機電系統(tǒng)(MEMS)器件，但裸片必須堆疊起來，以滿足更小的總體封裝要求，以便能貼裝在越來越緊湊的空間內。

在將加速計(能對質量和共振進行監(jiān)測)堆疊在處理器芯片上時，需要留意來自負載和震動等外部環(huán)境對應力敏感性的影響，Henry說。“用硅膠、RTV或其它材料封裹該加速計，將使其與封裝絕緣，”他指出。但之后需要開發(fā)一種不同的裸片粘接技術，因“它可能試圖采用線邦定技術與一個枕墊連在一起，” Henry介紹。另外，此舉也會影響可靠性。

“由于你無法將全部功能都集成在一塊硅片上，所以需要對裸片進行堆疊，以便優(yōu)化工藝，” 飛思卡爾傳感器產品部的營銷、應用和系統(tǒng)經(jīng)理Mark Shaw表示。你能利用很高的芯片邏輯密度和(傳感器處理器)高耐壓的優(yōu)勢且不被MEMS工藝所限制，他說。而Henry認為，應從封裝的角度審視傳感器。這樣做得出的結論是：不將其放在一塊硅片上，而是分放在處理器和傳感器兩個芯片上。

圖1：LIN、CAN和FlexRay等不同數(shù)字總線的比較

圖2：未來的傳感器封裝將適合嵌入進輪胎構造內

Shaw指出，尺寸較大的MCU芯片本身的裸片尺寸也較大。“MEMS的故障率較高，而良率較低，”他指出，將處理器和MEMS傳感器放在一塊芯片上將付出更大代價。如果傳感器區(qū)域的MENS發(fā)生故障，再好的處理器部分也會跟著報廢。

雖然也認同必須提升傳感器的良率，但混合信號芯片供應商ZMD美國公司的總裁Frank Cooper卻認為，轉向他稱之為“單硅片方案”提供的簡化封裝將具有優(yōu)勢。與將ASIC線邦定至傳感器和連接器進行線綁定起來進而再封裝在一起的方法相比，這種方法更有優(yōu)勢。

“真正的單芯片方案將G傳感器(加速計)、溫度傳感器或流量傳感器與信號處理部件放同在一塊芯片上，從而可以實現(xiàn)最少的線邦定，”Cooper說。這樣一來，傳感器安裝中發(fā)生爆裂、短路、疲勞和污染的地方就較少。

圖3：安全和發(fā)動機效率仍將是當前及今后汽車傳感器應用的關注焦點

當輪胎接觸路面

因為傳感器要面對它們以前從沒遇到的嚴酷環(huán)境，所以可靠性也是個問題。具有代表性的一個應用是胎壓感測(TPS)。美國國家公路交通安全管理機構強制要求在2006型年(model year)，20%的新車要配備TPS傳感器。

英飛凌科技的傳感與控制部門主管John McGowan表示，TPS傳感器用在“局促、悶熱的地方”，而且必須堅固耐用、壽命長，另外，還要有合理的成本。英飛凌的工程師通過將一個用于數(shù)據(jù)處理和信號調制的CMOS ASIC與一個壓電式壓力測量元件放在一個公共的引線框架內，開發(fā)出這樣一款傳感器。在兩層玻璃間夾著ASIC的“三層硅三明治”結構堅固耐用，McGowan表示。

飛思卡爾的Henry也談到了“媒介兼容性”問題，其中，TPS傳感器可能被暴露在 “有趣的化學物”下、液體能濺到車庫中的輪胎上，這些東西包括：從電池溢出的酸、裝配用潤滑劑、塵土、來自制造工藝的化學殘留物及充滿氣的輪胎內的潮濕空氣。

英飛凌的McGowan表示，將處理功能與傳感器整合在一起，能確保溫度補償、自校正和失效模式檢測等功能的精確性。在成本控制方面，可通過在單芯片上集成多種功能和特性(與過去采用的分立無源器件的方式相反)以及量產來著力。最后，這種智能附屬傳感器允許將更小的中央處理器從數(shù)據(jù)運算中解放出來，以便進行更快的決策處理。

目前的胎壓監(jiān)測傳感器不是作為凸起的一塊安裝在胎外就是固定在輪緣的內部。因這些設備是由紐扣電池供電的，McGowan表示，一線供應商追求10年的電池壽命。“為達到此目的，我們在處理算法中使用車輛信息，在車停止不動時，降低采樣和傳輸速率，”他補充說。

未來的壓力監(jiān)測可能由直接嵌入在輪胎構造內的傳感器完成。這些傳感器必須由McGowan稱之為的“能量積聚(energy scavenging)”技術來供電，這種技術利用輪胎撓曲性來驅動為傳感器提供能量的應變器件(piezo)。該概念能被擴展，例如，利用引擎震動作為碰撞傳感器的工作能量。另一種方法是通過感應方式從輪胎外對嵌入式胎壓傳感器進行驅動。這里需關注的事項包括：輪胎轂內的任何金屬天線環(huán)對輪胎物理特性的影響。

圖5：采用QFN封裝的最新雙芯片加速計具有6mm×6mm×1.45mm的裸片堆疊尺寸(右)。芯片頂部的是加速計核，CMOS控制IC在底部。(頂部)還顯示了QFN傳感器堆疊工藝

由Magneti Marelli領導的一個小組圍繞著“智能輪胎“展開了初期的工作，它超越了單純的壓力檢測水平。該小組的成果由項目主管Andrea Neponte和戰(zhàn)略創(chuàng)新經(jīng)理Piero De La Pierre在SAE 2005世界大會上發(fā)表(論文2005-01-1481)。輪胎測試將不止測試壓力；在內部襯墊上的一個三軸加速計也將提供沿著三個軸的輪胎力數(shù)據(jù)、輪胎接觸塊的大小以及路面情況(通過振動數(shù)據(jù))。

雖然測試時使用了電池以保證通信連接的可靠性，但在傳感器需要的功率級(300毫瓦)方面，該團隊相信應變片方法不能為該應用提供足夠功率。這樣一種輪胎數(shù)據(jù)系統(tǒng)可用于為汽車底盤控制系統(tǒng)提供信息或確定是否需要進行輪胎或懸掛系統(tǒng)服務。

汽車傳感器展望

未來五年內，傳感器的其它應用很可能將包括更多的基于陀螺儀的器件，飛思卡爾的Shaw表示。這些器件將為滾動穩(wěn)定性控制及其它軸閉環(huán)控制提供角速率數(shù)據(jù)。這些陀螺儀將以MEMS為基礎，隨著產量的增加，MEMS的加工成本將降下來。

英飛凌的壓力和霍爾效應傳感器營銷經(jīng)理Peter Knittl認為，要為由氣囊觸發(fā)的撞擊傳感器增強性能，將會采用基于壓力的器件而不再是目前使用的G傳感器。“這種向‘有源’傳感器的轉變是由(美國)政府為防范側部撞擊而新頒布的法令(FMVSS-201)拉動的，”他說。“當結構變形時，G傳感器將觸發(fā)。但車門內的壓力傳感器不久(約5到6ms)將檢測到一個聲波，而G傳感器的檢測時間是10ms。”未來的氣囊系統(tǒng)可能同時采用這兩種傳感器，從而增強冗余性。

汽車傳感器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢不僅是傳感器將用在哪些地方的風向標，還體現(xiàn)出“各種總線系統(tǒng)是如何必須一道工作以及各總線是專門針對哪個應用領域的，”TI的Poppel表示。

兩線式還是三線式？

ZMD的Cooper表示，他很驚訝為什么單線式LIN總線尚沒能在車內占據(jù)更大的主導地位。典型應用仍采用三線式輻射度(radiometric)傳感器接口。也許隨著新的數(shù)字協(xié)議的出現(xiàn)，汽車產業(yè)的人士中沒有人想冒召回或其發(fā)生流血事故的風險。”所以，經(jīng)過驗證的傳統(tǒng)器件會讓開發(fā)人員用起來得心應手，并希望能夠方便地使用庫存器件，他接著說。“雖然行業(yè)走向也許是一種數(shù)字接口，他們仍著眼于模擬(三線)輸出信號。”

表1

Cooper預計未來五年內將出現(xiàn)更小、更輕、處理能力更強的傳感器，但只有很少的電子控制單元(ECU)模塊處理它們。另外，他認為，隨著連線的減少(重量更輕)，燃油經(jīng)濟性將更高，輻射也會更低，并且無需另一層的數(shù)據(jù)插值(interpolation)，這些將有助于推動向數(shù)字接口標準基礎設施的轉變。

“如今一些汽車內擁有100多個ECU，而目標是減少車內ECU的數(shù)量，”TI的Poppel表示。“代碼的可重復利用性也將對降低成本有助益。另外，雖然能在手持無線應用中見到當今領先的技術，但(因其短暫的設計周期)這些產品并沒有很長的使用周期。另一方面，汽車畢竟是需要電子提供高質量和高可靠性的長期使用系統(tǒng)。”