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金宝搏app车用TPMS专项使用传感器技艺分析,当前小车传感器应用的关焦躁点

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。

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。

TPMS的轮胎压力监测模块由五个部分组成:具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器SoC;4-8位单片机RF射频发射芯片;锂亚电池;天线。见图1,图2是成品的实物图。外壳选用高强度ABS塑料。所有器件、材料都要满足-40℃到+125℃的汽车级使用温度范围。

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。

图8美国GE公司NPX2

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。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。

德州仪器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,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。

为了便于TPMS接收器的识别,每个压力传感器都具有32位独特的ID码,它可产生4亿个不重复的号码。

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。

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。”

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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。

类似控制器区域网络以及更强大的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。

图7加速度传感器切面结构图

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?

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。

图9是去掉封装材料后

“如今一些汽车内拥有100多个ECU,而目标是减少车内ECU的数量,”TI的Poppel表示。“代码的可重复利用性也将对降低成本有助益。另外,虽然能在手持无线应用中见到当今领先的技术,但(因其短暂的设计周期)这些产品并没有很长的使用周期。另一方面,汽车毕竟是需要电子提供高质量和高可靠性的长期使用系统。”

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。

MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力硅薄膜内壁,采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处,组成惠斯顿测量电桥,作为力电变换测量电路的,将压力这个物理量直接变换成电量,其测量精度能达0.01-0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图5所示,上下二层是玻璃体,中间是硅片,其应力硅薄膜上部有一真空腔,使之成为一个典型的绝压压力传感器。

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。

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。

图12TPMS传感器模块技术发展趋势

当轮胎接触路面

智能传感器模块还整合了ASIC/MCU,NPX2和SP30都是使用PHILPS的P2SC的传感器信号调理的ASIC芯片,在NPX2的电原理图中能清晰地看到这个单元,它包括一个作运算处理控制的8位RISC单片机、用于安置系统固化程序的4KEROM或FLASH、用于存放客户应用程序的4KROM、用于存储传感器校准参数和用户自定义数据的128ByteEEPROM、RAM、定时调制器、中断控制器、RC振荡器,以及将来自传感器信号进行放大的低噪音放大器LNA、继而将传感器信号转化为数字信号的ADC、与外界联系的I/O口、电源管理和看门狗、断续定时器、1-3维的LF接口。

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。

自动智能确定检测时间周期,用软件设定安全期、敏感期和危险期,以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、节省电能等功能。可以利用加速度传感器+MCU+软件设计完成唤醒的功能设定,不再需要用其它芯片,以免增加成本。

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。

图4压力/温度导入孔

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。

图10SP30整合使用PHILPS的P2SC

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。

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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。

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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

TPMS传感器模块技术发展趋势是将发射模块向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求,目前已经有了如InfineonSP12/SP30、GENPX那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块,在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块,包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块,届时胎压力监测发设器只有一个模块和一个天线组成,客户的二次设计变得十分简便。

汽车传感器展望

在欧美等发达国家由于TPMS已是汽车的标配产品,因而TPMS无论在产品品种还是在生产产量方面都在急速增长,其所用MEMS芯片和IC芯片的技术发展进步很快,TPMS最终产品技术也因此而得到迅速发展。

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,他们仍着眼于模拟输出信号。”

TPMS是汽车轮胎压力监视系统“TirePressureMonitoringSystem”的英文缩写,主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气和低气压进行报警,以保障行车安全,是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。

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。

图5硅压阻式压力传感器结构

类似控制器区域网络以及更强大的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。

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Cooper预计未来五年内将出现更小、更轻、处理能力更强的传感器,但只有很少的电子控制单元模块处理它们。另外,他认为,随着连线的减少,燃油经济性将更高,辐射也会更低,并且无需另一层的数据插值(interpolation),这些将有助于推动向数字接口标准基础设施的转变。

压力传感器、加速度传感器、ASIC/MCU是三个分别独立的裸芯片,它们通过芯片的集成厂商整合在一个封装的单元里,如图8美国GE公司NPX2,图9是去掉封装材料后能清晰地看到这三个裸芯片,三个芯片之间的联接、匹配也都做在其中了。

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。

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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。

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“真正的单芯片方案将G传感器、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。

图3压力、加速度与ASIC/MCU组合封装在一个包装内

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。”

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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。

图11NPX2整合使用PHILPS的P2SC

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。

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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。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。

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德州仪器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,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。

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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。

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同样,加速度传感器也是用MEMS技术制作的,图6是MEMS加速度传感器平面结构图,图7是加速度传感器切面结构图,图中间是一块用MEMS技术制作的、可随运动力而上下可自由摆动的硅岛质量块,在其与周边固置硅连接的硅樑上刻制有一应变片,与另外三个刻制在固置硅上的应变片组成一个惠斯顿测量电桥,只要质量块随加速度力摆动,惠斯顿测量电桥的平衡即被破坏,惠斯顿测量电桥就输出一个与力大小成线性的变化电压△V。

图6加速度传感器平面结构图

图1TPMS发射器由五个部分组成

加速度传感器可使发射模块具有自动唤醒功能,SP12/30和NPX2系列的智能传感器都包含了加速度传感器,加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性,实现汽车移动即时开机,进入系统自检、自动唤醒,汽车高速行驶时按运动速度

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智能传感器是整合了硅显微机械加工技术制作的压力传感器、加速度传感器芯片和一个包含温度传感器、电池电压检测、内部时钟和模数转换器、取样/保持、SPI口、传感器数据校准、数据管理、ID码等功能的数字信号处理ASIC芯片。具有掩膜可编程性,即可以利用客户专用软件进行配置。它是由MEMS传感器和ASIC电路几块芯片,用集成电路工艺做在一个封装里的。在封装的上方留有一个压力/温度导入孔,将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上,同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。

图2TPMS的轮胎压力监测模块成品的实物图

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