精確可靠的汽車應(yīng)用加速計(jì)

MEMS 加速計(jì)在汽車安全氣囊應(yīng)用的碰撞與沖擊檢測(cè)方面的使用已逾十年。目前，MEMS加速計(jì)已經(jīng)成為汽車安全系統(tǒng)的一部分。一個(gè)系統(tǒng)示例就是電子穩(wěn)定性控制 (ESC)，它可以檢測(cè)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的意外側(cè)滑，通過(guò)自動(dòng)控制引擎、懸架、剎車，讓車輛恢復(fù)穩(wěn)定。由于美國(guó)要求，到2012年，所有輕型汽車都要安裝 ESC，因此MEMS加速計(jì)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(jì)要求具有高靈敏度、高準(zhǔn)確性、高可靠性，并匹配ESC系統(tǒng)的通信接口。由于側(cè)滑時(shí)加速度小于1g，因此加速計(jì)必須非常靈敏，才能夠感應(yīng)低重力移動(dòng)。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(jì)必須穩(wěn)健、可靠，這樣其結(jié)構(gòu)才不會(huì)在汽車環(huán)境的高壓強(qiáng)下斷裂或損壞，而且在出現(xiàn)超負(fù)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(dǎo)體公司高縱寬比微機(jī)電系統(tǒng)(HARMEMS)技術(shù)的精確、可靠的加速計(jì)，這款加速計(jì)可用于先進(jìn)的ESC系統(tǒng)。

變?nèi)菔郊铀儆?jì)

變?nèi)菔郊铀儆?jì)的操作原理非常易于理解。圖1顯示了電容式加速計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單模型。中間的可移動(dòng)元件由彈簧支持，位于固定元件之間。從電氣角度看，它相當(dāng)于兩個(gè)容量互為變化的背靠背電容器。加速度為0時(shí)，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(shí)現(xiàn)了平衡。

當(dāng)傳感器加速時(shí)，可移動(dòng)元件由來(lái)自牛頓方程的動(dòng)能(Faocel)而被迫移動(dòng)。同時(shí)，彈簧被移動(dòng)中的元件彎曲，根據(jù)胡克定律，在反方向產(chǎn)生恢復(fù)力 (Frestore)。因此，可移動(dòng)板最終將移動(dòng)到彈簧恢復(fù)力與加速力實(shí)現(xiàn)平衡的位置(Frestore=Faccel)。此時(shí)，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?hào)，我們可以通過(guò)測(cè)量該電信號(hào)來(lái)確定加速度。

電容式加速計(jì)還有其它一些優(yōu)勢(shì)，如低功耗、沒有驅(qū)動(dòng)電流、易于匹配CMOS電路等。對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最大優(yōu)勢(shì)在于電容式加速計(jì)可以通過(guò)固定板產(chǎn)生的靜電力移動(dòng)可移動(dòng)元件，從而進(jìn)行測(cè)試。這被稱為自我測(cè)試功能。自測(cè)電極的偏壓添加在傳感器上的加速度，不產(chǎn)生實(shí)際加速度。在激活系統(tǒng)前，對(duì)傳感器操作完整性進(jìn)行機(jī)械和電氣方面的驗(yàn)證非常有用。自我測(cè)試對(duì)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(shí)際加速計(jì)產(chǎn)品包括傳感器芯片和信號(hào)處理芯片(A-SIC)，采用系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)進(jìn)行封裝。傳感器芯片采用MEMS技術(shù)制造。ASIC芯片包含信號(hào)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(gè)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(dòng)產(chǎn)品更快上市，因?yàn)橥ㄟ^(guò)將MEMS技術(shù)與各種標(biāo)準(zhǔn)或?qū)I(yè) CMOS、SMOS、BiCMOS等技術(shù)混合起來(lái)(取決于應(yīng)用)。無(wú)需片上系統(tǒng)(SoC)集成便能實(shí)現(xiàn)制造各種特定產(chǎn)品的靈活性。

MEMS傳感器的改進(jìn)與ASIC信號(hào)處理和補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)，影響了汽車加速計(jì)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(jì)必須實(shí)現(xiàn)高靈敏度、過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)和黏附失敗預(yù)防。

1．靈敏度增強(qiáng)

MEMS 加速計(jì)本身的靈敏度由機(jī)械參數(shù)可移動(dòng)元件質(zhì)量(m)和彈簧常數(shù)(Ks)定義。操作原理是：當(dāng)加速度移動(dòng)時(shí)，中板移動(dòng)一個(gè)較長(zhǎng)距離，微分電容變化更多，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高靈敏度。移動(dòng)的距離(L)取決于加速度力(Faccel=m×a)和彈簧恢復(fù)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(dòng)的距離就越長(zhǎng)。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(fù)力。在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，即使加速度很低(1g)，中板也可以移動(dòng)較長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)電容變化，因?yàn)樗兄谔岣弑尘霸胍糁械男旁氡?。電容器板面積擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了初始電容增加，同時(shí)也增加了中板質(zhì)量。因此，可以通過(guò)增加中板質(zhì)量和面積，實(shí)現(xiàn)汽車加速計(jì)的高靈敏度。

2．過(guò)阻尼響應(yīng)

加速計(jì)響應(yīng)特征來(lái)源于中板的瞬間移動(dòng)。在操作原理中已經(jīng)講過(guò)，中板移動(dòng)到彈簧恢復(fù)力與加速度力實(shí)現(xiàn)平衡的位置(Frestore=FacceI)。隨著中板的移動(dòng)，它從周圍大氣中獲取阻力。這種移動(dòng)通常解釋為阻尼振蕩。

阻尼振蕩可采用其它的術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋。第一個(gè)術(shù)語(yǔ)是移動(dòng)時(shí)板的加速度(不是來(lái)自外部的加速度)。第二個(gè)術(shù)語(yǔ)是當(dāng)板移動(dòng)進(jìn)入大氣中時(shí)的阻力效應(yīng)，y是一個(gè)來(lái)自空氣黏度、摩擦、板面積及其它功能的阻力因子。第三個(gè)術(shù)語(yǔ)是彈簧恢復(fù)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(duì)于汽車應(yīng)用，如果已獲得要求的響應(yīng)時(shí)間，那么阻力效應(yīng)大于彈簧效應(yīng)(y2>w02)的過(guò)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(lái)好像一個(gè)機(jī)械低通濾波器。過(guò)阻尼傳感器機(jī)械地截?cái)喔哳l噪音組件，提高輸出信號(hào)上的信噪比(S／N)。這樣，就可以正確讀取原始加速度信號(hào)。

汽車加速計(jì)的過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)可以通過(guò)擴(kuò)大可移動(dòng)板以獲取更多空氣阻力來(lái)實(shí)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(yù)防