自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)至今，安全氣囊系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，目前乘客/前排安全氣囊已經(jīng)在全球范圍內(nèi)成為新生產(chǎn)汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。根據(jù)市場(chǎng)報(bào)告，在一些新產(chǎn)品特性的推動(dòng)下，如保護(hù)頭部的、胸部及膝蓋側(cè)面氣囊以及智能乘客檢測(cè)系統(tǒng)等, 到2010年，全球總的安全氣囊應(yīng)用數(shù)量將達(dá)到1.8億個(gè)。為了達(dá)到政府或碰撞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)(如EuroNCAP)的最高安全性要求，當(dāng)前高端汽車上用于探測(cè)碰撞的加速度傳感器的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到6個(gè)，并且仍有增加趨勢(shì)。而加速度傳感器的設(shè)計(jì)者們也正在采用新材料及新技術(shù)來(lái)保持整個(gè)安全氣囊系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的傳感器技術(shù)近幾年已取得顯著進(jìn)步。用來(lái)探測(cè)加速度的最常用方法之一就是測(cè)量可移動(dòng)震動(dòng)體的位移，然后再將該值轉(zhuǎn)換為可變電容來(lái)測(cè)量。飛思卡爾的所有加速計(jì)均由多個(gè)基于表面微加工的電容檢測(cè)單元和1個(gè)用于信號(hào)調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換、放大和過(guò)濾）的控制芯片組成。通過(guò)把MEMS傳感器與控制芯片分開，并將其置于同一個(gè)塑料封裝內(nèi)，使得這兩種在工藝技術(shù)和開發(fā)周期方面大不相同的技術(shù)能夠結(jié)合使用。現(xiàn)在的大多數(shù)產(chǎn)品都采用了3?m高的多晶硅傳感單元和傳統(tǒng)的1.2?m CMOS工藝的ASIC芯片。
傳感器技術(shù)
在安全應(yīng)用中，加速計(jì)的快速反應(yīng)非常重要。安全氣囊應(yīng)在什么時(shí)候彈出要迅速確定，所以加速計(jì)必須在瞬間做出反應(yīng)。通過(guò)采用可迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而不是振動(dòng)不止的傳感器設(shè)計(jì)可以縮短器件的反應(yīng)時(shí)間。而且，根據(jù)定義，
慣性傳感器對(duì)任何初始點(diǎn)的加速非常敏感，而氣囊運(yùn)算法則需要從傳感器在事故中發(fā)出的數(shù)據(jù)中辨認(rèn)出正確的碰撞信號(hào)。這就是傳感器的輸出信號(hào)往往都通過(guò)電子低通濾波（400Hz）消除寄生高頻的原因。可直接在傳感元件中消除多余的高頻加速內(nèi)容的傳感器能帶來(lái)額外的優(yōu)點(diǎn)。
目前已開發(fā)出一種新的傳感器技術(shù),它著重通過(guò)增加結(jié)構(gòu)層的厚度來(lái)提高上面提到的各項(xiàng)性能。由于可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的高度遠(yuǎn)大于間隔和寬度，所以該技術(shù)稱為高深寬比微機(jī)電系統(tǒng)（HARMEMS），其中的比率為氣隙和槽深之比。該技術(shù)可通過(guò)深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）規(guī)定的厚度大于20 ?m的SOI層和厚度小于1.5?m的窄槽實(shí)現(xiàn)很高的深寬比。
該技術(shù)的高深寬比加上高于真空的氣密封性可實(shí)現(xiàn)過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)。圖1中對(duì)比了HARMEMS的機(jī)械響應(yīng)和3?m的欠阻尼多晶硅MEMS（Poly-MEMS）設(shè)備的機(jī)械響應(yīng)。多晶硅MEMS設(shè)備受到激發(fā)產(chǎn)生共振（在此設(shè)計(jì)中，頻率高于10 kHz）;相反，HARMEMS設(shè)備并沒(méi)表現(xiàn)出共振，但是其截止頻率低于1 kHz。
圖1 傳統(tǒng)的欠阻尼多晶硅MEMS設(shè)備與過(guò)阻尼HARMEMS設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較
使用該技術(shù)還可帶來(lái)其它方面的優(yōu)勢(shì)。HARMEMS工藝流程中單位面積的傳感器電容更大，從而使相對(duì)加速度的電容變化增強(qiáng)。這樣就可以提高傳感器的信噪比性能，進(jìn)而降低傳感器系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)增益,減少由傳感器和ASIC帶來(lái)的誤差，同時(shí)減少產(chǎn)品系統(tǒng)的總誤差。
ASIC與封裝
由于新的控制集成電路和封裝技術(shù)的發(fā)展，傳感器設(shè)備也獲得了進(jìn)一步的改善。近年來(lái)，傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)已經(jīng)向亞微米混合信號(hào)技術(shù)發(fā)展，該技術(shù)將精確模擬模塊和高速CMOS邏輯結(jié)合在一起。最新的技術(shù)是一種基于成熟雙柵邏輯（最小特征尺寸0.25?m）的模擬CMOS技術(shù),稱為SmartMOS 8mv。從電壓調(diào)節(jié)器、ADC和運(yùn)算放大器到E2PROM與MCU核心，大多數(shù)電子功能都能通過(guò)它實(shí)現(xiàn)。其獨(dú)特的隔離槽使得不需要為了考慮電壓支持而在器件內(nèi)部和之間保留空間，因此可以最大限度地減少模擬與功率器件。其高密度邏輯（~25K門/平方毫米）允許集成復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)或具有多種參數(shù)調(diào)整選項(xiàng)的DSP。
MEMS結(jié)構(gòu)的封裝也至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙疆a(chǎn)品的最終特性（機(jī)械應(yīng)力、沖擊傳送等）及其可靠性和成本。加速計(jì)的一個(gè)特別要求是，必須讓傳感元件不受制模時(shí)注入的塑料的影響。該問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)采用一種晶圓級(jí)封裝技術(shù)得到解決，在該技術(shù)中，傳感器通過(guò)硅帽用玻璃粉進(jìn)行氣密封,可確保傳感元件不會(huì)受到任何微粒的干擾。有了這層保護(hù)，傳感器在進(jìn)入其它所有工藝步驟（劃片、封裝）時(shí)都不會(huì)遭到破壞。與現(xiàn)在生產(chǎn)的并排組裝的加速計(jì)相比，新的加速計(jì)可使用模具堆疊技術(shù)，達(dá)到最小的封裝體積（6×6×1.98mm）。同時(shí)，由于生產(chǎn)流程中所需步驟減少。
新產(chǎn)品開發(fā)
目前正在開發(fā)基于上述技術(shù)的加速計(jì)。用于安全氣囊主要電子控制單元（ECU）的雙XY軸傳感器將把HARMEMS傳感器與SmartMOS 8mv ASIC芯片集成到一個(gè)塑料封裝中。通過(guò)采用16位的Σ-△轉(zhuǎn)換器提供傳感單元與DSP模塊之間的接口可實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)。這樣的處理能力產(chǎn)生了新的特性，比如可編程性（可選擇若干
濾波器或加速范圍）和自動(dòng)診斷，自動(dòng)診斷可在運(yùn)行過(guò)程中定期啟動(dòng)（自檢）。過(guò)阻尼傳感單元與QFN封裝可消除碰撞中多余的高頻信號(hào)，而ASIC中的過(guò)范圍特征可保持其線性特性，并避免信號(hào)飽和。此外，它還包括SPI和模擬（3.3V或5V）輸出，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性。
結(jié)語(yǔ)
市場(chǎng)對(duì)側(cè)面氣囊保護(hù)應(yīng)用的需求還在不斷增加，安全氣囊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的應(yīng)用。通過(guò)結(jié)合更新的技術(shù)，飛思卡爾可為客戶提供關(guān)鍵的差異化產(chǎn)品以幫助他們?cè)谑袌?chǎng)上取
