汽车“智商”提高的背后：传感器的应用与挑战

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。

图5：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。"

表1

Cooper预计未来五年内将出现更孝更轻、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