自20世紀70年代出現(xiàn)以來至今，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)汽車的標準配置。根據(jù)市場報告，在一些新產(chǎn)品特性的推動下，如保護頭部的、胸部及膝蓋側面氣囊以及智能乘客檢測系統(tǒng)等, 到2010年，全球總的安全氣囊應用數(shù)量將達到1.8億個。為了達到政府或碰撞試驗機構(如EuroNCAP)的最高安全性要求，當前高端汽車上用于探測碰撞的加速度傳感器的數(shù)量已經(jīng)達到6個，并且仍有增加趨勢。而加速度傳感器的設計者們也正在采用新材料及新技術來保持整個安全氣囊系統(tǒng)的市場競爭力。

　　基于MEMS（微機電系統(tǒng)）的傳感器技術近幾年已取得顯著進步。用來探測加速度的最常用方法之一就是測量可移動震動體的位移，然后再將該值轉(zhuǎn)換為可變電容來測量。飛思卡爾的所有加速計均由多個基于表面微加工的電容檢測單元和1個用于信號調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換、放大和過濾）的控制芯片組成。通過把MEMS傳感器與控制芯片分開，并將其置于同一個塑料封裝內(nèi)，使得這兩種在工藝技術和開發(fā)周期方面大不相同的技術能夠結合使用�，F(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

　　在安全應用中，加速計的快速反應非常重要。安全氣囊應在什么時候彈出要迅速確定，所以加速計必須在瞬間做出反應。通過采用可迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)而不是振動不止的傳感器設計可以縮短器件的反應時間。而且，根據(jù)定義，慣性傳感器對任何初始點的加速非常敏感，而氣囊運算法則需要從傳感器在事故中發(fā)出的數(shù)據(jù)中辨認出正確的碰撞信號。這就是傳感器的輸出信號往往都通過電子低通濾波（400Hz）消除寄生高頻的原因�？芍苯釉趥鞲性�件中消除多余的高頻加速內(nèi)容的傳感器能帶來額外的優(yōu)點。

　　目前已開發(fā)出一種新的傳感器技術,它著重通過增加結構層的厚度來提高上面提到的各項性能。由于可移動結構的高度遠大于間隔和寬度，所以該技術稱為高深寬比微機電系統(tǒng)（HARMEMS），其中的比率為氣隙和槽深之比。該技術可通過深反應離子蝕刻（DRIE）規(guī)定的厚度大于20 ?m的SOI層和厚度小于1.5?m的窄槽實現(xiàn)很高的深寬比。

　　該技術的高深寬比加上高于真空的氣密封性可實現(xiàn)過阻尼機械響應。圖1中對比了HARMEMS的機械響應和3?m的欠阻尼多晶硅MEMS（Poly-MEMS）設備的機械響應。多晶硅MEMS設備受到激發(fā)產(chǎn)生共振（在此設計中，頻率高于10 kHz）;相反，HARMEMS設備并沒表現(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設備與過阻尼HARMEMS設備的動態(tài)響應比較

　　使用該技術還可帶來其它方面的優(yōu)勢。HARMEMS工藝流程中單位面積的傳感器電容更大，從而使相對加速度的電容變化增強。這樣就可以提高傳感器的信噪比性能，進而降低傳感器系統(tǒng)中的傳感器信號增益,減少由傳感器和ASIC帶來的誤差，同時減少產(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的發(fā)展，傳感器設備也獲得了進一步的改善。近年來，傳統(tǒng)的CMOS技術已經(jīng)向亞微米混合信號技術發(fā)展，該技術將精確模擬模塊和高速CMOS邏輯結合在一起。最新的技術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,稱為SmartMOS 8mv。從電壓調(diào)節(jié)器、ADC和運算放大器到E2PROM與MCU核心，大多數(shù)電子功能都能通過它實現(xiàn)。其獨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）允許集成復雜的狀態(tài)機或具有多種參數(shù)調(diào)整選項的DSP。

　　MEMS結構的封裝也至關重要，因為它直接影響到產(chǎn)品的最終特性（機械應力、沖擊傳送等）及其可靠性和成本。加速計的一個特別要求是，必須讓傳感元件不受制模時注入的塑料的影響。該問題已經(jīng)通過采用一種晶圓級封裝技術得到解決，在該技術中，傳感器通過硅帽用玻璃粉進行氣密封,可確保傳感元件不會受到任何微粒的干擾。有了這層保護，傳感器在進入其它所有工藝步驟（劃片、封裝）時都不會遭到破壞。與現(xiàn)在生產(chǎn)的并排組裝的加速計相比，新的加速計可使用模具堆疊技術，達到最小的封裝體積（6×6×1.98mm）。同時，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)基于上述技術的加速計。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芯片集成到一個塑料封裝中。通過采用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現(xiàn)全面的數(shù)字信號調(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）和自動診斷，自動診斷可在運行過程中定期啟動（自檢）。過阻尼傳感單元與QFN封裝可消除碰撞中多余的高頻信號，而ASIC中的過范圍特征可保持其線性特性，并避免信號飽和。此外，它還包括SPI和模擬（3.3V或5V）輸出，給設計帶來了很大的靈活性。

　　結語

　　市場對側面氣囊保護應用的需求還在不斷增加，安全氣囊技術已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的應用。通過結合更新的技術，飛思卡爾可為客戶提供關鍵的差異化產(chǎn)品以幫助他們在市場上取得成功。

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