精確可靠的汽車應用加速計

在板與固定板接觸之前，必須停止電容式加速計中的可移動中板。還有一個固定結(jié)構(gòu)可以停止中板，稱為超程停止器(或停止器)。停止器的第一個作用是防止電容器短路。第二個作用是通過限定胡克定律成比例區(qū)域的較低側(cè)內(nèi)的彎曲范圍，避免彈簧由于疲勞而降低強度。第三個作用是防止可移動板和固定板發(fā)生黏貼。黏貼通過接觸面之間的吸引力進行。當接觸面較寬時，可能會因為總吸引力太大而無法分離這些板，而當接觸面積較小，吸引力會較弱，因此可以輕松將板分開。

然而在實際應用中，即使一個尺寸較小的停止器在可移動板停止后也會發(fā)生黏貼，這被稱為使用中黏貼。它是一個比較嚴重的故障模式，會暫時或永久地使傳感器喪失功能。因此，在汽車安全應用中必須防止使用中黏貼。產(chǎn)生黏貼的表達式如下：

即停止器接觸面的吸引力大于彈簧的最大恢復力(見圖3)。

要防止使用中黏貼，必須通過增加彈簧恢復力或減少停止器平面吸引力，實現(xiàn)上述方程式的相反情況。然而，在高度靈敏的汽車傳感器中，不應該過多增加彈簧常數(shù)，因為彈簧常數(shù)是決定加速計靈敏度的一個重要因子。但是，即使彈簧較硬，通過增加中板質(zhì)量，仍然可以提高靈敏度。在傳感器結(jié)構(gòu)設計中，必須調(diào)整中板質(zhì)量和彈簧常數(shù)。

另一方面，通過粗化停止器平面可以減少吸引力，因為這減少了中板接觸停止器的有效接觸面積，所以，停止器的總吸引力減少了(見圖4)。此外，在傳感器結(jié)構(gòu)的疏水涂層也可以減少平面上的引力成分。

4. HARMEMS技術(shù)

飛思卡爾HARMEMS(高縱寬比MEMS)技術(shù)是用來制造高度靈敏、高度可靠的汽車加速計的MEMS工藝技術(shù)。HARMEMS讓檢測加速度的橫向傳感器與芯片表面平行，厚度為25um的單晶硅是SOI晶圓(絕緣硅晶片)的基材。25um厚度材料允許用較重可移動元件實現(xiàn)低加速度傳感器的高靈活度。同樣，由于25um厚度板在移動時經(jīng)歷相當大的空氣阻力，因此實現(xiàn)了過阻尼機械響應。
為了預防使用中黏貼，較重的可移動元件可以有一個硬彈簧，制造強大恢復力的同時，降低停止器的吸引力。HARMEMS粗化扇貝形側(cè)壁表面結(jié)構(gòu)由深層RIE(反應離子刻蝕)工藝創(chuàng)建。粗化表面減少了停止器的有效接觸面積，因此減少了吸引力，降低了黏貼發(fā)生率。HARMEMS加速計向汽車安全駕駛支持系統(tǒng)展示了精確、可靠的技術(shù)。

ASIC電路改進

汽車ESC應用的ASIC電路必須具有廣泛的動態(tài)范圍，同時具有高信噪比、不同溫度條件下的較小增益／偏置誤差以及數(shù)字通信功能。

1．廣泛動態(tài)范圍和高信噪比

ESC 應用的MEMS加速計輸出應具有廣泛的動態(tài)范圍(全尺寸／最小信號)，即大于60dB。通過對比MEMS傳感器信號和駕駛員輸入，如駕駛、加速度和剎車組合，ESC系統(tǒng)可以檢測汽車性能的任何變化。這些效應可能在一個非常廣的范圍內(nèi)變化。另一方面，即使一個很小的輸入或信號也可能影響汽車性能。因此，MEMS加速計必須檢測微小的行為變化，ASIC電路必須能夠識別并處理整個操作范圍內(nèi)的小信號。

當ASIC輸入級電路(一個模擬放大器)與MEMS傳感器一起使用時，必須降低內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。將模擬電路最小化有助于限制噪聲源產(chǎn)生噪聲。此外，根據(jù)Slgma-Delta(∑△)調(diào)制噪聲成形效應，模擬電路輸入后出現(xiàn)的∑△轉(zhuǎn)換能夠減少低頻區(qū)域中的噪聲分量。∑△轉(zhuǎn)換的高over-sarnpling frequency(過取樣頻率)提高了檢測分辨率，信噪比和動態(tài)范圍也因此得以提高。所以，通過降低最小模擬輸入電路的噪聲，提高∑△轉(zhuǎn)換器的檢測分辨率，能夠獲得廣泛的動態(tài)范圍。

2．較小的增益／偏置誤差

ESC系統(tǒng)還要求在其操作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)±100mg(現(xiàn)在是±75mg)的偏置準確度。任何內(nèi)在偏置誤差都會造成對汽車行為變化的不正確位置讀取。同樣，由于溫度變化而引起的偏置更改將導致更大的誤差。

傳感器設計用來將過溫偏置變化的影響降至最低。為了進一步減少誤讀，ASIC芯片應該包含增益和偏置的初始調(diào)節(jié)功能。這種調(diào)節(jié)在所要求的規(guī)格內(nèi)圍繞傳感器進行。此外，ASIC芯片還具有增益和偏置的溫度補償功能。可以將溫度傳感器集成在芯片上，如在CMOS工藝中的P型多晶硅電阻器和N型Well電阻器。對于操作溫度范圍內(nèi)的一些點，調(diào)節(jié)碼在測試過程中被儲存在片上非易失性存儲器上。在實際操作過程中，要參考正確的調(diào)節(jié)碼，并補償實際溫度。因此，借助溫度傳感器的調(diào)節(jié)與補償功能和ASIC芯片上的非易失性存儲器，可減少整個溫度范圍內(nèi)的增益／偏置調(diào)節(jié)誤差。

3．數(shù)字通信功能

ESC 系統(tǒng)需要額外通信接口和來自傳感器的數(shù)字編解碼數(shù)據(jù)。即加速計在ASIC芯片上必須包含模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字通信接口電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換由∑△轉(zhuǎn)換器及隨后的模擬輸入電路執(zhí)行。輸出是脈寬調(diào)制的串行數(shù)字數(shù)據(jù)流，它幾乎不受外部噪聲的影響。數(shù)字數(shù)據(jù)流可提供給數(shù)字信號處理器(DSP)，而數(shù)字信號處理器采用比目前市場上的模擬電路更加復雜的過濾功能，提高信號信息的準確度。

數(shù)字數(shù)據(jù)用ESC系統(tǒng)的通信接口進行傳輸，汽車專用通信總線優(yōu)先采用串行外設接口(SPI)。在串行接口總線上，ESC系統(tǒng)和傳感器定義為主從關(guān)系，很多從器件可以連接到總線。這些總線系統(tǒng)，如DSI或PS15，還減少了布線數(shù)量，從而減少通信信號(甚至是數(shù)字信號)的衰減。因此，數(shù)字通信接口通過ASIC芯片上的∑△轉(zhuǎn)換器、DSP及串行通信接口電路實現(xiàn)。

ESC系統(tǒng)的低重力加速計產(chǎn)品

飛思卡爾半導體公司的MMA6700EG是一款能夠滿足ESC系統(tǒng)所有要求的典范加速計。MMA6700EG采用HARMEMS技術(shù)，包含XY軸傳感器。ASIC還具有以下特性：

·過阻尼機械響應

·廣泛的動態(tài)范圍(±3.5g FS、11位分辨率、66dB)

·高信噪比(大于68 dB)