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汽车安全气囊传感器应用数量将达到1.8亿个

行业聚焦点中国仪表网2008年06月25日 08:55人气:4432

    自20世纪70年代出现以来至今,安全气囊系统有了很大的发展,目前乘客/前排安全气囊已经在全球范围内成为新生产汽车的标准配置。根据市场报告,在一些新产品特性的推动下,如保护头部的、胸部及膝盖侧面气囊以及智能乘客检测系统等, 到2010年,全球总的安全气囊应用数量将达到1.8亿个。为了达到政府或碰撞试验机构(如EuroNCAP)的最高安全性要求,当前高端汽车上用于探测碰撞的加速度传感器的数量已经达到6个,并且仍有增加趋势。而加速度传感器的设计者们也正在采用新材料及新技术来保持整个安全气囊系统的市场竞争力。  

  基于MEMS(微机电系统)的传感器技术近几年已取得显著进步。用来探测加速度的最常用方法之一就是测量可移动震动体的位移,然后再将该值转换为可变电容来测量。飞思卡尔的所有加速计均由多个基于表面微加工的电容检测单元和1个用于信号调节(转换、放大和过滤)的控制芯片组成。通过把MEMS传感器与控制芯片分开,并将其置于同一个塑料封装内,使得这两种在工艺技术和开发周期方面大不相同的技术能够结合使用。现在的大多数产品都采用了3?m高的多晶硅传感单元和传统的1.2?m CMOS工艺的ASIC芯片。 

  传感器技术 
  在安全应用中,加速计的快速反应非常重要。安全气囊应在什么时候弹出要迅速确定,所以加速计必须在瞬间做出反应。通过采用可迅速达到稳定状态而不是振动不止的传感器设计可以缩短器件的反应时间。而且,根据定义,惯性传感器对任何初始点的加速非常敏感,而气囊运算法则需要从传感器在事故中发出的数据中辨认出正确的碰撞信号。这就是传感器的输出信号往往都通过电子低通滤波(400Hz)消除寄生高频的原因。可直接在传感元件中消除多余的高频加速内容的传感器能带来额外的优点。 

  目前已开发出一种新的传感器技术,它着重通过增加结构层的厚度来提高上面提到的各项性能。由于可移动结构的高度远大于间隔和宽度,所以该技术称为高深宽比微机电系统(HARMEMS),其中的比率为气隙和槽深之比。该技术可通过深反应离子蚀刻(DRIE)规定的厚度大于20 ?m的SOI层和厚度小于1.5?m的窄槽实现很高的深宽比。 

  该技术的高深宽比加上高于真空的气密封性可实现过阻尼机械响应。图1中对比了HARMEMS的机械响应和3?m的欠阻尼多晶硅MEMS(Poly-MEMS)设备的机械响应。多晶硅MEMS设备受到激发产生共振(在此设计中,频率高于10 kHz);相反,HARMEMS设备并没表现出共振,但是其截止频率低于1 kHz。 

  使用该技术还可带来其它方面的优势。HARMEMS工艺流程中单位面积的传感器电容更大,从而使相对加速度的电容变化增强。这样就可以提高传感器的信噪比性能,进而降低传感器系统中的传感器信号增益,减少由传感器和ASIC带来的误差,同时减少产品系统的总误差。 

  ASIC与封装 
  由于新的控制集成电路和封装技术的发展,传感器设备也获得了进一步的改善。近年来,传统的CMOS技术已经向亚微米混合信号技术发展,该技术将精确模拟模块和高速CMOS逻辑结合在一起。最新的技术是一种基于成熟双栅逻辑(最小特征尺寸0.25?m)的模拟CMOS技术,称为SmartMOS 8mv。从电压调节器、ADC和运算放大器到E2PROM与MCU核心,大多数电子功能都能通过它实现。其独特的隔离槽使得不需要为了考虑电压支持而在器件内部和之间保留空间,因此可以最大限度地减少模拟与功率器件。其高密度逻辑(~25K门/平方毫米)允许集成复杂的状态机或具有多种参数调整选项的DSP。 

  MEMS结构的封装也至关重要,因为它直接影响到产品的最终特性(机械应力、冲击传送等)及其可靠性和成本。加速计的一个特别要求是,必须让传感元件不受制模时注入的塑料的影响。该问题已经通过采用一种晶圆级封装技术得到解决,在该技术中,传感器通过硅帽用玻璃粉进行气密封,可确保传感元件不会受到任何微粒的干扰。有了这层保护,传感器在进入其它所有工艺步骤(划片、封装)时都不会遭到破坏。与现在生产的并排组装的加速计相比,新的加速计可使用模具堆叠技术,达到最小的封装体积(6×6×1.98mm)。同时,由于生产流程中所需步骤减少。 

  新产品开发 
  目前正在开发基于上述技术的加速计。用于安全气囊主要电子控制单元(ECU)的双XY轴传感器将把HARMEMS传感器与SmartMOS 8mv ASIC芯片集成到一个塑料封装中。通过采用16位的Σ-△转换器提供传感单元与DSP模块之间的接口可实现全面的数字信号调节。这样的处理能力产生了新的特性,比如可编程性(可选择若干滤波器或加速范围)和自动诊断,自动诊断可在运行过程中定期启动(自检)。过阻尼传感单元与QFN封装可消除碰撞中多余的高频信号,而ASIC中的过范围特征可保持其线性特性,并避免信号饱和。此外,它还包括SPI和模拟(3.3V或5V)输出,给设计带来了很大的灵活性。
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