汽车传感器--系统整合的未来

2011-03-10 17:23:55来源: 互联网
固态传感器汽车上的应用越来越广泛,这提高了系统的整合水平。系统设计师也通过所谓的“传感器融合”方式在不同系统之间实现共享。不过,在开发人员权衡系统成本和灵活性的时候,系统整合未来依然显得模糊不清。

传感器应用数量的急剧增加推动着系统整合向纵深方向发展。诸如电子稳定控制系统和数量不断增加的安全气囊之类的安全系统都需要用到大量的传感器。在驾驶舱内,传感器不仅可以帮助控制车内温度,还可以提高空气质量。

系统工程师在决定什么时候将系统部件整合起来,什么时候通过离散封装来获得更多的选择方面犹豫不决。同时,他们不仅要为传感器提供保护,还要努力提高数据处理的速度。

封装起来

工程师在无法采用更多传感器或处理器而还要实现功能扩展的情况下,他们主要采取电子封装的方式。将多个芯片封装在一起不仅可以节省空间,还可以节省成本。现在已经很难找到不采取任何智能封装方式的传感器了。

“我们的产品几乎都采用了双芯片或多芯片封装方式,其中MEMS(微电子机械系统)芯片及ASIC(专用集成电路)芯片负责校准和滤波工作,”飞思卡尔半导体汽车传感器产品经理Dave Monk表示。“有时候是否需要这种方式有其逻辑性在里面。”

一旦A SIC芯片和传感器封装在一起,下一步就不太确定了。一些设计小组想在这些多芯片封装模块中加入更多的传感器。

这时他们往往会效仿许多系统设计师的做法,即采取一种将多个不同传感器放到单一惯性测量单元里的系统架构。这种集中式的做法可以帮助他们减少一两个控制器,甚至还可以省去电源供应器或电气外壳。如果成本允许的话,工程师们可以在同一个载板上放几个传感器,将其封装在一个多芯片模块中。

网络连接对这些传感器模块来说非常重要——在碰撞中这些传感器会被激活并发送出几个字节大小的数据。可行的车载网络连接方式是LIN(本地互联网络)总线

“ 让多传感器模块中所有的传感器可以共享同一个L I N 接口芯片,这是降低成本的主要方式,”Melexis Inc红外线测温仪产品经理Luc Buydens说道。

不过有一些设计小组的做法比较谨慎,他们指出传感器的价格差别相当大。加速度计的成本要远远低于陀螺仪,这就存在一个潜在的问题——如果加速度计出现故障时把整个封装模块都扔掉显然会大幅增加系统的成本。

“我们会非常小心地决定将哪些产品封装在一起,”亚德诺半导体公司MEMS及传感器技术团队成员Rob O’Reilly表示。“将加速度计与陀螺仪封装在一起可能没有什么问题,但是一旦出现问题就难说了。”

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▲越来越多的传感器模块通过LIN网络将它们提供的少量数据分享给控制器。
▲随着传感器数量的不断增加,Analog Devices公司提供的双轴和三轴加速度计和陀螺仪都放置在中央惯性测量单元内。

内饰与干扰

对车厢内的应用来说,这种担忧就会少很多,因为许多用于提高乘坐舒适性的传感器的价格都差不多。这样相对来说,工程师不用增加多少成本就可以增加一些功能,比如在豪华车中加上空气质量监测系统或在普通消费车辆中加一些诸如双区温度控制等的功能。

“对车厢舒适性来说,你可以将空气/ 红外线温度传感器、湿度传感器、CO2传感器以及挡风玻璃温度传感器等整合在一个模块中——所有这些都通过LIN网络连接,”Buydens表示。

不管传感器模块在什么位置或里面包含什么,封装产品还可以拓展它们提供的保护的范围。这些封装产品的主要目的是保护传感器;这些传感器中常常包含感应运动的微量硅元素。此外,封装产品还要解决电磁干扰(EM I)的问题。“EMI是电子封装遇到的最大问题,”O’Reilly说。

还有其他一些因素也使EMI保护更加重要。一方面,电子器件的频率都提升了很多。此外,车辆中电子功能越来越丰富,同时应用到汽车上的消费类电子产品也越来越多。

如果EMI控制得不好的话,间断性的干扰问题会带来许多难题。

汽车制造商也在改变测试标准,从1GHz频率的200V/m提高到4GHz品的400V/m。“每提高100V,测试的难度就会呈指数级的增长,”O’Reilly说。“我们从以前只针对模块进行测试,现在模块内每个元件都要测试。”

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整合可行吗?

芯片用户和供应商常常不得不将多个传感器整合到一块硅片上,而采用多芯片组件可以减少他们面临的这种压力。不过,采用整合的方式可以降低成本,因此汽车制造商希望可以从消费市场采用的传感器整合方式中受益。

一些游戏产品如任天堂的Wii为M E M S 传感器开启了巨大的应用市场——这种传感器不但成本低,还不怕振动。汽车制造商希望可以从这种行业中吸取经验。

“游戏产品采用的加速度计和陀螺仪的整合水平较高。在未来,我们还会看到越来越多来自消费市场的技术被嫁接到汽车上,”STMicroelectronics公司高级动力系及安全市场技术经理Hubert Conti-Geitner表示。

他还指出,汽车制造商刚开始采用双轴陀螺仪,而消费市场已经开始供应带有三轴陀螺仪的系统了。对消费产品来说,陀螺仪和加速度计可以整合在一个芯片上。

不过,这种整合方式是否可以应用在汽车市场目前还不得而知。将所有东西都整合到一个硅晶片上可以降低成本,但是这也限制了应用的灵活性。不同的汽车有不同的要求,因此汽车制造商可能不会在所有品牌或车型上都采用同一块芯片。

“高水平的整合需要市场是稳定的,变化比较少,”Conti-Geitner说。“整合需要很多金钱和时间的投入。如果整合的芯片解析度为30度/秒,而你需要的是15度/秒,这会出现问题。”

在最终方案确定之前,工程师们还需要仔细研究其他类型的整合方式。虽然可以将传感器和逻辑功能整合到同一个芯片上,但是这种做法比较少。MEMS技术的线宽比逻辑装置要大很多,因此将他们整合起来的效率并不高。

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许多MEMS供应商还没有将应用于不同系统中的传感器整合起来。

比如,加速度计有灵敏度,来确定感应装置的构建方式。类似制动和安全气囊等应用需要的灵敏度完全不同,因此各个系统要采用不同的加速度计。

“对制动系统来说,许多公司设置的灵敏度为2g,”飞思卡尔半导体公司全球汽车战略经理Marc Osajda说。“而对安全气囊来说,灵敏度大概在40g左右。”

系统设计师希望多个系统可以采用一个传感器,但是这显然是不太可能的。

“底盘稳定性通常需要大量的优化工作,以确保驾驶员感受不到来自地面的颠簸,而这需要灵敏度比较低的加速度计,”Analog Devices公司汽车安全业务市场经理Max Liberman表示。“一些开发人员试图利用电子稳定控制系统(ESC)中的传感器,但是更多人认为应该单独采用一到两个加速度计。”

关键字:汽车  系统整合  未来

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0310/article_755.html
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