精确可靠的汽车应用加速计

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。