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。