汽车“智商”提高的背后--传感器的应用与挑战

许多年来，用于测量压力、温度和加速度等量值的传感器一直是汽车电子的主角。但大量需要具备此类功能的系统，诸如燃油喷射控制、燃油经济性和安全系统(包括“智能”气囊和胎压监测)，已经超越在需要的地方安放一个传感器并将感应信号送回控制单元这样一种水平。

各种数字总线系统的出现，能够方便地实现集中化处理及简化的线束连接，并且使得充分利用集成在负责数据采集的传感器内部的处理智能的优势成为可能。但这样一种架构也带来了可靠性方面的隐忧；此外，典型汽车应用在不断降低成本方面也面临着不少挑战。

类似控制器区域网络(CAN)以及更强大的FlexRay总线等高速总线，传统上用在类似引擎和底盘控制等需要密集计算、快速处理的场合。而低成本、单线连接的本地互连网络(LIN)是为诸如座椅定位和温度控制等对速度要求不苛刻、但着重于简单性和低成本的车身电子应用开发的。单线式(single-wire)LIN还意味着更轻的重量，从而能够带来更佳的燃油经济性。

德州仪器(TI)的全球先进嵌入式控制营销经理Matthias Poppel表示，能将控制IC与传感器放在被监控的机械部分上，能够节省空间及简化系统中央处理器的处理工作。但他接着说，这种将机械和电子整合在一起的机电一体化传感器的可靠性是个问题。“其灵活性也不够(对设计工程师来说)，因为这种集成传感器也许只有一个供应商，而由分立器件组合起来的部件一般有数家供应商，”他补充道。

按Poppel的观点，“向32位MCU的转变以及接至机械部分的附属(satellite)处理器/传感器构造还有待进考验。”他举例说，装配有附接至一个测量器件的机电传感器(mechatronic sensor)的PCB必须进行测试和验证，以确保在任何可预期的动作、负载、温度和振动条件下的稳定和可靠性。

飞思卡尔半导体传感器业务部的可编程控制器功率高级行销经理Steve Henry也提到了对传感器可靠性的关注及封装对其的影响。“例如，对传感器-加速计的挑战是用户希望整合在一起的传感器和控制器IC能有更小的封装。”

Henry表示，飞思卡尔提供了一款6mm×6mm QFN表面贴装的微机电系统(MEMS)器件，但裸片必须堆叠起来，以满足更小的总体封装要求，以便能贴装在越来越紧凑的空间内。

在将加速计(能对质量和共振进行监测)堆叠在处理器芯片上时，需要留意来自负载和震动等外部环境对应力敏感性的影响，Henry说。“用硅胶、RTV或其它材料封裹该加速计，将使其与封装绝缘，”他指出。但之后需要开发一种不同的裸片粘接技术，因“它可能试图采用线邦定技术与一个枕垫连在一起，” Henry介绍。另外，此举也会影响可靠性。

“由于你无法将全部功能都集成在一块硅片上，所以需要对裸片进行堆叠，以便优化工艺，” 飞思卡尔传感器产品部的营销、应用和系统经理Mark Shaw表示。你能利用很高的芯片逻辑密度和(传感器处理器)高耐压的优势且不被MEMS工艺所限制，他说。而Henry认为，应从封装的角度审视传感器。这样做得出的结论是：不将其放在一块硅片上，而是分放在处理器和传感器两个芯片上。

Shaw指出，尺寸较大的MCU芯片本身的裸片尺寸也较大。“MEMS的故障率较高，而良率较低，”他指出，将处理器和MEMS传感器放在一块芯片上将付出更大代价。如果传感器区域的MENS发生故障，再好的处理器部分也会跟着报废。

虽然也认同必须提升传感器的良率，但混合信号芯片供应商ZMD美国公司的总裁Frank Cooper却认为，转向他称之为“单硅片方案”提供的简化封装将具有优势。与将ASIC线邦定至传感器和连接器进行线绑定起来进而再封装在一起的方法相比，这种方法更有优势。

“真正的单芯片方案将G传感器(加速计)、温度传感器或流量传感器与信号处理部件放同在一块芯片上，从而可以实现最少的线邦定，”Cooper说。这样一来，传感器安装中发生爆裂、短路、疲劳和污染的地方就较少。

安全和发动机效率仍将是当前及今后汽车传感器应用的关注焦点

当轮胎接触路面

因为传感器要面对它们以前从没遇到的严酷环境，所以可靠性也是个问题。具有代表性的一个应用是胎压感测(TPS)。美国国家公路交通安全管理机构强制要求在2006型年(model year)，20%的新车要配备TPS传感器。

英飞凌科技的传感与控制部门主管John McGowan表示，TPS传感器用在“局促、闷热的地方”，而且必须坚固耐用、寿命长，另外，还要有合理的成本。英飞凌的工程师通过将一个用于数据处理和信号调制的CMOS ASIC与一个压电式压力测量元件放在一个公共的引线框架内，开发出这样一款传感器。在两层玻璃间夹着ASIC的“三层硅三明治”结构坚固耐用，McGowan表示。

飞思卡尔的Henry也谈到了“媒介兼容性”问题，其中，TPS传感器可能被暴露在 “有趣的化学物”下、液体能溅到车库中的轮胎上，这些东西包括：从电池溢出的酸、装配用润滑剂、尘土、来自制造工艺的化学残留物及充满气的轮胎内的潮湿空气。

英飞凌的McGowan表示，将处理功能与传感器整合在一起，能确保温度补偿、自校正和失效模式检测等功能的精确性。在成本控制方面，可通过在单芯片上集成多种功能和特性(与过去采用的分立无源器件的方式相反)以及量产来着力。最后，这种智能附属传感器允许将更小的中央处理器从数据运算中解放出来，以便进行更快的决策处理。

目前的胎压监测传感器不是作为凸起的一块安装在胎外就是固定在轮缘的内部。因这些设备是由纽扣电池供电的，McGowan表示，一线供应商追求10年的电池寿命。“为达到此目的，我们在处理算法中使用车辆信息，在车停止不动时，降低采样和传输速率，”他补充说。

未来的压力监测可能由直接嵌入在轮胎构造内的传感器完成。这些传感器必须由McGowan称之为的“能量积聚(energy scavenging)”技术来供电，这种技术利用轮胎挠曲性来驱动为传感器提供能量的应变器件(piezo)。该概念能被扩展，例如，利用引擎震动作为碰撞传感器的工作能量。另一种方法是通过感应方式从轮胎外对嵌入式胎压传感器进行驱动。这里需关注的事项包括：轮胎毂内的任何金属天线环对轮胎物理特性的影响。

采用QFN封装的最新双芯片加速计具有6mm×6mm×1.45mm的裸片堆叠尺寸(右)。
芯片顶部的是加速计核，CMOS控制IC在底部。(顶部)还显示了QFN传感器堆叠工艺

由Magneti Marelli领导的一个小组围绕着“智能轮胎“展开了初期的工作，它超越了单纯的压力检测水平。该小组的成果由项目主管Andrea Neponte和战略创新经理Piero De La Pierre在SAE 2005世界大会上发表(论文2005-01-1481)。轮胎测试将不止测试压力；在内部衬垫上的一个三轴加速计也将提供沿着三个轴的轮胎力数据、轮胎接触块的大小以及路面情况(通过振动数据)。

虽然测试时使用了电池以保证通信连接的可靠性，但在传感器需要的功率级(300毫瓦)方面，该团队相信应变片方法不能为该应用提供足够功率。这样一种轮胎数据系统可用于为汽车底盘控制系统提供信息或确定是否需要进行轮胎或悬挂系统服务。

汽车传感器展望

未来五年内，传感器的其它应用很可能将包括更多的基于陀螺仪的器件，飞思卡尔的Shaw表示。这些器件将为滚动稳定性控制及其它轴闭环控制提供角速率数据。这些陀螺仪将以MEMS为基础，随着产量的增加，MEMS的加工成本将降下来。

英飞凌的压力和霍尔效应传感器营销经理Peter Knittl认为，要为由气囊触发的撞击传感器增强性能，将会采用基于压力的器件而不再是目前使用的G传感器。“这种向‘有源’传感器的转变是由(美国)政府为防范侧部撞击而新颁布的法令(FMVSS-201)拉动的，”他说。“当结构变形时，G传感器将触发。但车门内的压力传感器不久(约5到6ms)将检测到一个声波，而G传感器的检测时间是10ms。”未来的气囊系统可能同时采用这两种传感器，从而增强冗余性。

汽车传感器系统的发展趋势不仅是传感器将用在哪些地方的风向标，还体现出“各种总线系统是如何必须一道工作以及各总线是专门针对哪个应用领域的，”TI的Poppel表示。

两线式还是三线式？

ZMD的Cooper表示，他很惊讶为什么单线式LIN总线尚没能在车内占据更大的主导地位。典型应用仍采用三线式辐射度(radiometric)传感器接口。也许随着新的数字协议的出现，汽车产业的人士中没有人想冒召回或其发生流血事故的风险。”所以，经过验证的传统器件会让开发人员用起来得心应手，并希望能够方便地使用库存器件，他接着说。“虽然行业走向也许是一种数字接口，他们仍着眼于模拟(三线)输出信号。”

Cooper预计未来五年内将出现更小、更轻、处理能力更强的传感器，但只有很少的电子控制单元(ECU)模块处理它们。另外，他认为，随着连线的减少(重量更轻)，燃油经济性将更高，辐射也会更低，并且无需另一层的数据插值(interpolation)，这些将有助于推动向数字接口标准基础设施的转变。

“如今一些汽车内拥有100多个ECU，而目标是减少车内ECU的数量，”TI的Poppel表示。“代码的可重复利用性也将对降低成本有助益。另外，虽然能在手持无线应用中见到当今领先的技术，但(因其短暂的设计周期)这些产品并没有很长的使用周期。另一方面，汽车毕竟是需要电子提供高质量和高可靠性的长期使用系统。”