精确可靠的汽车应用加速计

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。