許多年來，用于測(cè)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(jì)性和安全系統(tǒng)(包括“智能”氣囊和胎壓監(jiān)測(cè))，已經(jīng)超越在需要的地方安放一個(gè)傳感器并將感應(yīng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)集中化處理及簡(jiǎn)化的線束連接，并且使得充分利用集成在負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的傳感器內(nèi)部的處理智能的優(yōu)勢(shì)成為可能。但這樣一種架構(gòu)也帶來了可靠性方面的隱憂；此外，典型汽車應(yīng)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(luò)(CAN)以及更強(qiáng)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(jì)算、快速處理的場(chǎng)合。而低成本、單線連接的本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)是為諸如座椅定位和溫度控制等對(duì)速度要求不苛刻、但著重于簡(jiǎn)單性和低成本的車身電子應(yīng)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(jì)性。
德州儀器(TI)的全球先進(jìn)嵌入式控制營(yíng)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(jī)械部分上，能夠節(jié)省空間及簡(jiǎn)化系統(tǒng)中央處理器的處理工作。但他接著說，這種將機(jī)械和電子整合在一起的機(jī)電一體化傳感器的可靠性是個(gè)問題。“其靈活性也不夠(對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說)，因?yàn)檫@種集成傳感器也許只有一個(gè)供應(yīng)商，而由分立器件組合起來的部件一般有數(shù)家供應(yīng)商，”他補(bǔ)充道。
按Poppel的觀點(diǎn)，“向32位MCU的轉(zhuǎn)變以及接至機(jī)械部分的附屬(satellite)處理器/傳感器構(gòu)造還有待進(jìn)考驗(yàn)?！彼e例說，裝配有附接至一個(gè)測(cè)量器件的機(jī)電傳感器(mechatronic sensor)的PCB必須進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，以確保在任何可預(yù)期的動(dòng)作、負(fù)載、溫度和振動(dòng)條件下的穩(wěn)定和可靠性。
飛思卡爾半導(dǎo)體傳感器業(yè)務(wù)部的可編程控制器功率高級(jí)行銷經(jīng)理Steve Henry也提到了對(duì)傳感器可靠性的關(guān)注及封裝對(duì)其的影響?！袄?，對(duì)傳感器-加速計(jì)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(jī)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(nèi)。
在將加速計(jì)(能對(duì)質(zhì)量和共振進(jìn)行監(jiān)測(cè))堆疊在處理器芯片上時(shí)，需要留意來自負(fù)載和震動(dòng)等外部環(huán)境對(duì)應(yīng)力敏感性的影響，Henry說?！坝霉枘z、RTV或其它材料封裹該加速計(jì)，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(shù)，因“它可能試圖采用線邦定技術(shù)與一個(gè)枕墊連在一起，” Henry介紹。另外，此舉也會(huì)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(duì)裸片進(jìn)行堆疊，以便優(yōu)化工藝，” 飛思卡爾傳感器產(chǎn)品部的營(yíng)銷、應(yīng)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(shì)且不被MEMS工藝所限制，他說。而Henry認(rèn)為，應(yīng)從封裝的角度審視傳感器。這樣做得出的結(jié)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(gè)芯片上。
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(jià)。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(huì)跟著報(bào)廢。
雖然也認(rèn)同必須提升傳感器的良率，但混合信號(hào)芯片供應(yīng)商ZMD美國公司的總裁Frank Cooper卻認(rèn)為，轉(zhuǎn)向他稱之為“單硅片方案”提供的簡(jiǎn)化封裝將具有優(yōu)勢(shì)。與將ASIC線邦定至傳感器和連接器進(jìn)行線綁定起來進(jìn)而再封裝在一起的方法相比，這種方法更有優(yōu)勢(shì)。
“真正的單芯片方案將G傳感器(加速計(jì))、溫度傳感器或流量傳感器與信號(hào)處理部件放同在一塊芯片上，從而可以實(shí)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。
安全和發(fā)動(dòng)機(jī)效率仍將是當(dāng)前及今后汽車傳感器應(yīng)用的關(guān)注焦點(diǎn)
當(dāng)輪胎接觸路面
因?yàn)閭鞲衅饕鎸?duì)它們以前從沒遇到的嚴(yán)酷環(huán)境，所以可靠性也是個(gè)問題。具有代表性的一個(gè)應(yīng)用是胎壓感測(cè)(TPS)。美國國家公路交通安全管理機(jī)構(gòu)強(qiáng)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(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)，另外，還要有合理的成本。英飛凌的工程師通過將一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理和信號(hào)調(diào)制的CMOS ASIC與一個(gè)壓電式壓力測(cè)量元件放在一個(gè)公共的引線框架內(nèi)，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(jié)構(gòu)堅(jiān)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(xué)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(rùn)滑劑、塵土、來自制造工藝的化學(xué)殘留物及充滿氣的輪胎內(nèi)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(bǔ)償、自校正和失效模式檢測(cè)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(chǎn)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(yùn)算中解放出來，以便進(jìn)行更快的決策處理。
目前的胎壓監(jiān)測(cè)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(nèi)部。因這些設(shè)備是由紐扣電池供電的，McGowan表示，一線供應(yīng)商追求10年的電池壽命?！盀檫_(dá)到此目的，我們?cè)谔幚硭惴ㄖ惺褂密囕v信息，在車停止不動(dòng)時(shí)，降低采樣和傳輸速率，”他補(bǔ)充說。
未來的壓力監(jiān)測(cè)可能由直接嵌入在輪胎構(gòu)造內(nèi)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(shù)來供電，這種技術(shù)利用輪胎撓曲性來驅(qū)動(dòng)為傳感器提供能量的應(yīng)變器件(piezo)。該概念能被擴(kuò)展，例如，利用引擎震動(dòng)作為碰撞傳感器的工作能量。另一種方法是通過感應(yīng)方式從輪胎外對(duì)嵌入式胎壓傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這里需關(guān)注的事項(xiàng)包括：輪胎轂內(nèi)的任何金屬天線環(huán)對(duì)輪胎物理特性的影響。
采用QFN封裝的最新雙芯片加速計(jì)具有6mm×6mm×1.45mm的裸片堆疊尺寸(右)。
芯片頂部的是加速計(jì)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(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)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(cè)水平。該小組的成果由項(xiàng)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(huì)上發(fā)表(論文2005-01-1481)。輪胎測(cè)試將不止測(cè)試壓力；在內(nèi)部襯墊上的一個(gè)三軸加速計(jì)也將提供沿著三個(gè)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(dòng)數(shù)據(jù))。
雖然測(cè)試時(shí)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(jí)(300毫瓦)方面，該團(tuán)隊(duì)相信應(yīng)變片方法不能為該應(yīng)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(jìn)行輪胎或懸掛系統(tǒng)服務(wù)。
汽車傳感器展望
未來五年內(nèi)，傳感器的其它應(yīng)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(dòng)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(chǔ)，隨著產(chǎn)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(yīng)傳感器營(yíng)銷經(jīng)理Peter Knittl認(rèn)為，要為由氣囊觸發(fā)的撞擊傳感器增強(qiáng)性能，將會(huì)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(zhuǎn)變是由(美國)政府為防范側(cè)部撞擊而新頒布的法令(FMVSS-201)拉動(dòng)的，”他說?！爱?dāng)結(jié)構(gòu)變形時(shí)，G傳感器將觸發(fā)。但車門內(nèi)的壓力傳感器不久(約5到6ms)將檢測(cè)到一個(gè)聲波，而G傳感器的檢測(cè)時(shí)間是10ms。”未來的氣囊系統(tǒng)可能同時(shí)采用這兩種傳感器，從而增強(qiáng)冗余性。
汽車傳感器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)不僅是傳感器將用在哪些地方的風(fēng)向標(biāo)，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(duì)哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)占據(jù)更大的主導(dǎo)地位。典型應(yīng)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(chǎn)業(yè)的人士中沒有人想冒召回或其發(fā)生流血事故的風(fēng)險(xiǎn)。”所以，經(jīng)過驗(yàn)證的傳統(tǒng)器件會(huì)讓開發(fā)人員用起來得心應(yīng)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?nèi)灾塾谀M(三線)輸出信號(hào)?！?
Cooper預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)將出現(xiàn)更小、更輕、處理能力更強(qiáng)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(rèn)為，隨著連線的減少(重量更輕)，燃油經(jīng)濟(jì)性將更高，輻射也會(huì)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(dòng)向數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施的轉(zhuǎn)變。
“如今一些汽車內(nèi)擁有100多個(gè)ECU，而目標(biāo)是減少車內(nèi)ECU的數(shù)量，”TI的Poppel表示?！按a的可重復(fù)利用性也將對(duì)降低成本有助益。另外，雖然能在手持無線應(yīng)用中見到當(dāng)今領(lǐng)先的技術(shù)，但(因其短暫的設(shè)計(jì)周期)這些產(chǎn)品并沒有很長(zhǎng)的使用周期。另一方面，汽車畢竟是需要電子提供高質(zhì)量和高可靠性的長(zhǎng)期使用系統(tǒng)。” (end)
