MEMS 加速计在汽车安全气囊应用的碰撞与冲击检测方面的使用已逾十年。目前,MEMS加速计已经成为汽车安全系统的一部分。一个系统示例就是电子稳定性控制 (ESC),它可以检测车辆转弯时的意外侧滑,通过自动控制引擎、悬架、刹车,让车辆恢复稳定。由于美国要求,到2012年,所有轻型汽车都要安装 ESC,因此MEMS加速计在汽车行业的使用将更加广泛。

安全系统中使用的加速计要求具有高灵敏度、高准确性、高可靠性,并匹配ESC系统的通信接口。由于侧滑时加速度小于1g,因此加速计必须非常灵敏,才能够感应低重力移动。感应响应也必须在操作温度范围内以较高的信噪比(S/N)和低偏置误差追踪加速度。加速计必须稳健、可靠,这样其结构才不会在汽车环境的高压强下断裂或损坏,而且在出现超负荷后器件应立即返回正常操作。此外,数字编解码器输出必须能够直接由ESC系统内的其它器件处理。

以下讨论介绍了基于飞思卡尔半导体公司高纵宽比微机电系统(HARMEMS)技术的精确、可靠的加速计,这款加速计可用于先进的ESC系统。

变容式加速计

变容式加速计的操作原理非常易于理解。图1显示了电容式加速计的一个简单模型。中间的可移动元件由弹簧支持,位于固定元件之间。从电气角度看,它相当于两个容量互为变化的背靠背电容器。加速度为0时,中板保留在中间位置,上下间隙不变。因此,电容峰(Ct)与电容谷(Cb)实现了平衡。

当传感器加速时,可移动元件由来自牛顿方程的动能(Faocel)而被迫移动。同时,弹簧被移动中的元件弯曲,根据胡克定律,在反方向产生恢复力 (Frestore)。因此,可移动板最终将移动到弹簧恢复力与加速力实现平衡的位置(Frestore=Faccel)。此时,电容器间隙被更改,电容也被更改。电容变化将转变为电信号,我们可以通过测量该电信号来确定加速度。

电容式加速计还有其它一些优势,如低功耗、没有驱动电流、易于匹配CMOS电路等。对于汽车应用来说,最大优势在于电容式加速计可以通过固定板产生的静电力移动可移动元件,从而进行测试。这被称为自我测试功能。自测电极的偏压添加在传感器上的加速度,不产生实际加速度。在激活系统前,对传感器操作完整性进行机械和电气方面的验证非常有用。自我测试对于生命保障应用 (如安全气囊)是一种必要的功能。

带有传感器芯片和ASIC芯片的SiP解决方案

实际加速计产品包括传感器芯片和信号处理芯片(A-SIC),采用系统封装(SiP)技术进行封装。传感器芯片采用MEMS技术制造。ASIC芯片包含信号调理及其它功能,采用CMOS技术制造。流程分离允许最大限度地提高每个技术的使用率和生产率。此外,SiP组装解决方案还能推动产品更快上市,因为通过将MEMS技术与各种标准或专业 CMOS、SMOS、BiCMOS等技术混合起来(取决于应用)。无需片上系统(SoC)集成便能实现制造各种特定产品的灵活性。

MEMS传感器的改进与ASIC信号处理和补偿的改进,影响了汽车加速计的精确度与可靠性,我们将在后面的内容中讨论。

MEMS传感器改良

用于汽车应用的MEMS加速计必须实现高灵敏度、过阻尼机械响应和黏附失败预防。

1.灵敏度增强

MEMS 加速计本身的灵敏度由机械参数可移动元件质量(m)和弹簧常数(Ks)定义。操作原理是:当加速度移动时,中板移动一个较长距离,微分电容变化更多,进而实现高灵敏度。移动的距离(L)取决于加速度力(Faccel=m×a)和弹簧恢复力(Frestore=Ks×L)之间的平衡,即中板能够承受的质量越大,加速度力就越大,移动的距离就越长。另一方面,弹簧常数较小的软弹簧需要更大的弯曲度才能获得平衡的恢复力。在传感器结构设计中,使用较重的中板或软弹簧,可以制造出高度灵敏的加速计,即使加速度很低(<1g),中板也可以移动较长距离。

有趣的是,尽管间隙变化是决定加速度的主要因素,但绝对电容变化量基于初始电容(C0)。微分电容变化率不取决于C0值。然而,对于第一阶段的电容(ASIC芯片上的电压转换器电路),还是希望有较大的绝对电容变化,因为它有助于提高背景噪音中的信噪比。电容器板面积扩展实现了初始电容增加,同时也增加了中板质量。因此,可以通过增加中板质量和面积,实现汽车加速计的高灵敏度。

2.过阻尼响应

加速计响应特征来源于中板的瞬间移动。在操作原理中已经讲过,中板移动到弹簧恢复力与加速度力实现平衡的位置(Frestore=FacceI)。随着中板的移动,它从周围大气中获取阻力。这种移动通常解释为阻尼振荡。

 


阻尼振荡可采用其它的术语来解释。第一个术语是移动时板的加速度(不是来自外部的加速度)。第二个术语是当板移动进入大气中时的阻力效应,y是一个来自空气黏度、摩擦、板面积及其它功能的阻力因子。第三个术语是弹簧恢复力效应,是系统的自然频率。

阻尼振荡方程有三种解决方案(参见图2)。对于汽车应用,如果已获得要求的响应时间,那么阻力效应大于弹簧效应(y2>w02)的过阻尼响应比较理想。


它在没有振荡的情况下汇聚到平衡位置,看起来好像一个机械低通滤波器。过阻尼传感器机械地截断高频噪音组件,提高输出信号上的信噪比(S/N)。这样,就可以正确读取原始加速度信号。

汽车加速计的过阻尼机械响应可以通过扩大可移动板以获取更多空气阻力来实现,与前面所讨论的灵敏度增加方法一致。

3.超程停止和黏附预防

在板与固定板接触之前,必须停止电容式加速计中的可移动中板。还有一个固定结构可以停止中板,称为超程停止器(或停止器)。停止器的第一个作用是防止电容器短路。第二个作用是通过限定胡克定律成比例区域的较低侧内的弯曲范围,避免弹簧由于疲劳而降低强度。第三个作用是防止可移动板和固定板发生黏贴。黏贴通过接触面之间的吸引力进行。当接触面较宽时,可能会因为总吸引力太大而无法分离这些板,而当接触面积较小,吸引力会较弱,因此可以轻松将板分开。

然而在实际应用中,即使一个尺寸较小的停止器在可移动板停止后也会发生黏贴,这被称为使用中黏贴。它是一个比较严重的故障模式,会暂时或永久地使传感器丧失功能。因此,在汽车安全应用中必须防止使用中黏贴。产生黏贴的表达式如下:


即停止器接触面的吸引力大于弹簧的最大恢复力(见图3)。

要防止使用中黏贴,必须通过增加弹簧恢复力或减少停止器平面吸引力,实现上述方程式的相反情况。然而,在高度灵敏的汽车传感器中,不应该过多增加弹簧常数,因为弹簧常数是决定加速计灵敏度的一个重要因子。但是,即使弹簧较硬,通过增加中板质量,仍然可以提高灵敏度。在传感器结构设计中,必须调整中板质量和弹簧常数。

另一方面,通过粗化停止器平面可以减少吸引力,因为这减少了中板接触停止器的有效接触面积,所以,停止器的总吸引力减少了(见图4)。此外,在传感器结构的疏水涂层也可以减少平面上的引力成分。

4. HARMEMS技术

飞思卡尔HARMEMS(高纵宽比MEMS)技术是用来制造高度灵敏、高度可靠的汽车加速计的MEMS工艺技术。HARMEMS让检测加速度的横向传感器与芯片表面平行,厚度为25um的单晶硅是SOI晶圆(绝缘硅晶片)的基材。25um厚度材料允许用较重可移动元件实现低加速度传感器的高灵活度。同样,由于25um厚度板在移动时经历相当大的空气阻力,因此实现了过阻尼机械响应。
为了预防使用中黏贴,较重的可移动元件可以有一个硬弹簧,制造强大恢复力的同时,降低停止器的吸引力。HARMEMS粗化扇贝形侧壁表面结构由深层RIE(反应离子刻蚀)工艺创建。粗化表面减少了停止器的有效接触面积,因此减少了吸引力,降低了黏贴发生率。HARMEMS加速计向汽车安全驾驶支持系统展示了精确、可靠的技术。

ASIC电路改进

汽车ESC应用的ASIC电路必须具有广泛的动态范围,同时具有高信噪比、不同温度条件下的较小增益/偏置误差以及数字通信功能。

1.广泛动态范围和高信噪比

ESC 应用的MEMS加速计输出应具有广泛的动态范围(全尺寸/最小信号),即大于60dB。通过对比MEMS传感器信号和驾驶员输入,如驾驶、加速度和刹车组合,ESC系统可以检测汽车性能的任何变化。这些效应可能在一个非常广的范围内变化。另一方面,即使一个很小的输入或信号也可能影响汽车性能。因此,MEMS加速计必须检测微小的行为变化,ASIC电路必须能够识别并处理整个操作范围内的小信号。

当ASIC输入级电路(一个模拟放大器)与MEMS传感器一起使用时,必须降低内部产生的噪声。将模拟电路最小化有助于限制噪声源产生噪声。此外,根据Slgma-Delta(∑△)调制噪声成形效应,模拟电路输入后出现的∑△转换能够减少低频区域中的噪声分量。∑△转换的高over-sarnpling frequency(过取样频率)提高了检测分辨率,信噪比和动态范围也因此得以提高。所以,通过降低最小模拟输入电路的噪声,提高∑△转换器的检测分辨率,能够获得广泛的动态范围。

2.较小的增益/偏置误差

ESC系统还要求在其操作温度范围内实现±100mg(现在是±75mg)的偏置准确度。任何内在偏置误差都会造成对汽车行为变化的不正确位置读取。同样,由于温度变化而引起的偏置更改将导致更大的误差。

传感器设计用来将过温偏置变化的影响降至最低。为了进一步减少误读,ASIC芯片应该包含增益和偏置的初始调节功能。这种调节在所要求的规格内围绕传感器进行。此外,ASIC芯片还具有增益和偏置的温度补偿功能。可以将温度传感器集成在芯片上,如在CMOS工艺中的P型多晶硅电阻器和N型Well电阻器。对于操作温度范围内的一些点,调节码在测试过程中被储存在片上非易失性存储器上。在实际操作过程中,要参考正确的调节码,并补偿实际温度。因此,借助温度传感器的调节与补偿功能和ASIC芯片上的非易失性存储器,可减少整个温度范围内的增益/偏置调节误差。

 


3.数字通信功能

ESC 系统需要额外通信接口和来自传感器的数字编解码数据。即加速计在ASIC芯片上必须包含模数(A/D)转换器和数字通信接口电路。模数转换由∑△转换器及随后的模拟输入电路执行。输出是脉宽调制的串行数字数据流,它几乎不受外部噪声的影响。数字数据流可提供给数字信号处理器(DSP),而数字信号处理器采用比目前市场上的模拟电路更加复杂的过滤功能,提高信号信息的准确度。

数字数据用ESC系统的通信接口进行传输,汽车专用通信总线优先采用串行外设接口(SPI)。在串行接口总线上,ESC系统和传感器定义为主从关系,很多从器件可以连接到总线。这些总线系统,如DSI或PS15,还减少了布线数量,从而减少通信信号(甚至是数字信号)的衰减。因此,数字通信接口通过ASIC芯片上的∑△转换器、DSP及串行通信接口电路实现。

ESC系统的低重力加速计产品

飞思卡尔半导体公司的MMA6700EG是一款能够满足ESC系统所有要求的典范加速计。MMA6700EG采用HARMEMS技术,包含XY轴传感器。ASIC还具有以下特性:

  ·过阻尼机械响应

  ·广泛的动态范围(±3.5g FS、11位分辨率、66dB)

  ·高信噪比(大于68 dB)

  ·增益/偏置调节功能

  ·整个生命周期和温度范围内只有±75mg偏置误差

  ·双向自测和校准·串行外设接口(SPI)

  ·集成的DSP低通滤波器

以下讨论了MMA6700的一些功能。

1.Sigma Delta(∑△)转换器

两个∑△转换器在X/Y轴MEMS传感器和DSP电路之间独立连接。∑△转换器提供脉宽调制数据流,并对DSP进行1MHz采样。在∑△转换器的输出部分,有动态增益控制。当较小的信号不一致时,输入增益较大,而当较大的信号不一致时,输入增益则较小。因此,动态范围扩大到超过11位的高分辨率。

2.调节和低通滤波器

包含在MMA6700中的DSP有两个功能。一个是用温度补偿进行增益/偏置调节,另一个是低通滤波器。DSP功能框图如图5所示。MMA6700能够调节可检测的加速度范围,±3.5g或±5g,以便在最终测试线上创造出不同产品。还是在最终测试线,增益/偏置误差在最高和最低操作温度范围内测量,并保存这些补偿码。在实际应用中,输出由片上温度传感器(TEMP)补偿。因此,在整个操作温度范围内,输出偏置误差被控制在±75mg内。

此外,低通滤波器功能的截止频率(8.8Hz~884Hz)可以在最终测试线上按照每个客户的规格进行编程。低通滤波器从输出中删除高频噪声分量,这样就提高了信噪比。

3.其它功能

MMA6700还具有HOLD功能,能够在ESC系统的同步定时上测量加速度。双向自测通过SPI接口控制,并从机械和电气方面对传感器的操作完整性进行验证,而不会产生任何实际加速度。

小结

本文讨论了用于电子稳定性控制(ESC)系统的汽车加速计要求。文中根据采用HARMEMS技术的飞思卡尔半导体加速计产品,介绍了所涉及的技术和改进方案。不仅仅是加速计,ESC系统中使用的任何器件都必须与系统级合作伙伴共同开发。这些系统级合作伙伴制造fail-safe(故障安全)微控制器、制动系统模块及其集成软件。