【检修知识】<转>汽车传感器利用的存眷核心

本篇文章3500字，读完约9分钟

各种数字总线系统的出现，可以方便地实现集中处理和简化线束连接，充分利用负责数据采集的传感器中集成的处理智能的优势。但是，这种架构也带来了可靠性的隐忧。此外，典型的汽车应用在持续降低成本方面也面临许多挑战。

控制器局域网(can)和功能更强大的flexray总线等高速总线传统上用于发动机和底盘控制等需要密集计算和快速处理的地方。低成本单线本地互连网络(lin)是专为汽车电子应用开发的，例如座椅定位和温度控制，这些应用对速度要求不高，但注重简单性和低成本。单线)lin也意味着更轻的重量，可以带来更好的燃油经济性。

德州仪器(ti)全球高级嵌入式控制营销经理Matthiaspoppel表示，将控制ic和传感器放在被监控的机械部件上，可以节省空间，简化系统中央处理器的处理。但他接着说，这种集机械和电子于一体的机电一体化传感器的可靠性是个问题。“这也不够灵活(对于设计工程师来说)，因为这种集成传感器可能只有一家供应商，而由分立设备组成的组件通常有几家供应商，”他补充说。

根据poppel的说法，“向32位mcu的过渡以及连接到机械部分的卫星处理器/传感器结构还有待测试。”他说，例如，必须测试和验证安装有机电传感器的pcb，以确保其在任何可预测的动作、负载、温度和振动条件下的稳定性和可靠性。

飞思卡尔半导体传感器事业部可编程控制器电源高级营销经理Stevehenry也提到了对传感器可靠性的关注以及封装对其的影响。“例如，传感器加速度计面临的挑战是，用户希望集成传感器和控制器ic的封装更小。”

Henry表示，飞思卡尔提供了6mm×6mmqfn的表面贴装mems器件，但必须将裸芯片堆叠起来，以满足更小的整体封装要求，这样才能安装在越来越紧凑的空间中。

亨利说，当加速度计(可以监测质量和谐振)堆叠在处理器芯片上时，应注意负载和振动等外部环境对应力灵敏度的影响。“用硅胶、rtv或其他材料封装加速度计将使其与封装绝缘，”他指出。然而，后来需要开发一种不同的芯片键合技术，因为“它可能会尝试使用引线键合技术来连接枕垫，”亨利介绍道。另外，这也会影响可靠性。

飞思卡尔传感器产品部营销、应用和系统经理markshaw表示:“因为你无法将所有功能集成在单个硅片上，所以你需要堆叠裸芯片来优化工艺。他说，你可以利用高芯片逻辑密度和高耐受电压(传感器处理器)，而不受mems技术的限制。亨利认为，应该从包装的角度来看待传感器。结论是不是放在一个硅片上，而是放在两个芯片上:处理器和传感器。

Shaw指出，更大的mcu芯片本身具有更大的管芯尺寸。“mems的失败率更高，但成品率更低，”他指出，将处理器和mems传感器放在一个芯片上会花费更多。如果传感器区域的mens出现故障，再好的处理器也会报废。

尽管人们也同意必须提高传感器的产量，但混合信号芯片供应商zmd USA的总裁frankcooper认为，转向他所谓的“单硅片解决方案”提供的简化封装将是有利的。相对于将asic导线与传感器、连接器进行引线键合，然后一起封装的方法，这种方法更有优势。

“真正的单芯片解决方案将G传感器(加速度计)、温度传感器或流量传感器与信号处理组件放在同一个芯片上，从而实现最少的引线键合，”库珀说。这样一来，传感器安装时发生爆裂、短路、疲劳、污染的地方就少了。

安全and/きだよよよ0/效率仍将是当前和未来汽车传感器应用的焦点。

当轮胎接触路面时

因为传感器要面对从未遇到过的恶劣环境，可靠性也是个问题。典型应用是轮胎压力传感(tps)。美国国家公路交通安全管理局在2006年的车型中规定20%的新车应该配备tps传感器。

凌飞科技公司传感与控制部门负责人约翰·麦高恩(Johnmcgowan)表示，tps传感器应该用在“局促、闷热的地方”，它们必须耐用、寿命长、成本合理。英飞凌工程师通过将用于数据处理和信号调制的cmosasic和压电压力测量元件放在一个公共引线框架中，开发了这样一种传感器。麦高恩说，asic夹在两层玻璃之间的“三层硅三明治”坚固耐用。飞思卡尔的亨利还谈到了“介质兼容性”，其中tps传感器可能会接触到“有趣的化学物质”，液体会溅到车库中的轮胎上，这些化学物质包括:电池溢出的酸、装配润滑剂、灰尘、制造过程中的化学残留物以及充气轮胎中的潮湿空气。

凌飞的Mcgowan表示，将处理功能与传感器集成在一起，可以确保温度补偿、自校准和故障模式检测的准确性。在成本控制方面，可以通过在单个芯片上集成各种功能和特性(与过去使用的分立无源器件的方式相反)和量产来努力。最后，这种智能辅助传感器让更小的中央处理器从数据操作中解放出来，从而做出更快的决策处理。

目前胎压监测传感器要么安装在轮胎外部，要么作为凸块固定在轮辋内部。由于这些设备由纽扣电池供电，麦高恩表示，一线供应商追求10年的电池寿命。“为了实现这一目标，我们在处理算法中使用车辆信息，以降低车辆停止时的采样和传输速率，”他补充道。

未来的压力监测可以通过直接嵌入轮胎结构中的传感器来实现。这些传感器必须由mcgowan所谓的“energyscavenging”技术提供动力，该技术利用轮胎的弹性来驱动为传感器提供能量的压电元件。这个概念可以扩展，例如，使用发动机振动作为碰撞传感器的工作能量。另一种方法是通过感应从轮胎外部驱动嵌入式胎压传感器。这里需要注意的事项包括:轮胎轮毂中任何金属天线环对轮胎物理特性的影响。

最新采用qfn封装的双芯片加速度计，芯片堆叠尺寸为6mm×6mm×1.45mm(右图)。

芯片顶部是加速度计核心，底部是cmos控制ic。(上图)还显示了qfn传感器堆叠过程。

由magnetimarelli领导的一个小组开始了围绕“智能轮胎”的初步工作，这超出了简单的压力检测水平。该小组的成果由项目主管andreaneponte和战略创新经理pierodelapierre在sae2005世界大会上发表(论文2005-01-1481)。轮胎试验将超过试验压力；内垫上的三轴加速度计也将提供沿三个轴的轮胎力数据、轮胎接触块的大小和路面状况(通过振动数据)。

虽然测试中使用了电池来确保通信连接的可靠性，但该团队认为，就传感器所需的功率水平(300毫瓦)而言，应变仪方法无法为应用提供足够的功率。这种轮胎数据系统可用于为汽车底盘控制系统提供信息，或者确定是否需要轮胎或悬架系统服务。

汽车传感器展望

飞思卡尔的肖说，在未来五年，传感器的其他应用可能包括更多基于陀螺仪的设备。这些设备将为滚动稳定性控制和其他轴闭环控制提供角速度数据。这些陀螺仪将基于mems。随着产量的增加，mems的加工成本会降低。

英飞凌压力和霍尔效应传感器营销经理Peterknittl认为，要增强由安全气囊触发的碰撞传感器的性能，将使用基于压力的设备，而不是目前使用的G传感器。“这种向‘主动’传感器的转变是由(美国)政府发布的新法令(fmvss-201)推动的，以防止副作用，”他说。“当结构变形时，G传感器就会触发。但是很快(大约5到6ms)车门内的压力传感器就会检测到一个声波，G传感器的检测时间是10 ms，“未来的安全气囊系统可能会同时采用这两个传感器，从而增强冗余性。

ti的poppel说，汽车传感器系统的发展趋势不仅是传感器将用于何处的风向标，还显示了“各种总线系统必须如何协同工作，以及每种总线都致力于哪个应用领域”。双线还是三线？

Zmd的cooper说，他很惊讶为什么单线lin总线还没有在汽车中占据更大的主导地位。典型应用仍然使用三线辐射传感器接口。也许随着新的数字协议的出现，汽车行业没有人愿意承担召回或流血的风险。“因此，成熟的传统设备将使开发者容易使用它们，并希望方便地使用库存的设备，”他补充道虽然行业趋势可能是数字接口，但他们仍然专注于模拟(三线)输出信号。"

库珀预测，未来五年将出现更小、更轻、更强大的传感器，但只有少数电子控制单元(ecu)模块可以处理它们。此外，他认为，随着连接数量的减少(重量更轻)，燃油经济性将更高，辐射将更低，并且不需要再进行一层数据插值，这将有助于促进向数字接口标准基础设施的过渡。

“今天，一些汽车中有超过100个ECU，目标是减少汽车中ECU的数量，”ti的poppel说。“代码的可重用性也有助于降低成本。此外，虽然当今的领先技术可以在手持无线应用中看到，但这些产品的使用寿命不长(由于其设计周期短)。另一方面，毕竟汽车是长期使用的系统，需要电子设备提供高质量和高可靠性。”