EEPW论坛

具有更多智能的汽车需要配备各种各样牢靠而又廉价的传感器，其中许多传感器证明在其它嵌入式系统中也是非常适用的。而且，数字编程技术也正在简化这些汽车传感器适应于新领域的开发过程。 　　作者：Dan Strassberg, 资深技术编辑 　　目前，轿车、卡车和公共汽车既是一种机械设备，同样也几乎是一种电子装置。随着越来越多的汽车增加先进的功能，如稳定性控制和电子油门控制，汽车的电子含量还在不断增加。由于电子系统只依靠电信号工作，所以汽车需要用传感器将各种光激励、化学激励和机械激励转换成电信号。尽管传感器历来是非常昂贵的，但汽车传感器却不能太贵，因为对汽车（甚至高档豪华汽车）制造而言，成本始终是一个极为敏感的因素。然而，尽管有成本方面的严格限制，但汽车传感器的设计者们却不能只图省钱。这些传感器必须能在恶劣的温度、湿度、冲击、震动和电磁干扰的环境下可靠地工作许多年，当然这些极端工作条件会大大缩短相应常规传感器的使用寿命。 　　这种具有挑战性的局面，对那些基于非汽车传感器的嵌入式系统的设计师来说，却是一个真正的好消息。这些设计师常常发现，他们可以使原先为汽车开发的传感器也适应于别的应用场合。因为使用在汽车上的这些传感器价格虽低，但可靠性极高。而且，现在的可编程技术也便于修改数量日益增多的汽车传感器特性，使它们达到新的用途的要求。 　　如今，许多车用传感器都是使用IC工艺制造的，其中有些工艺可生产既有模拟功能又有非易失性存储器的芯片。这种方法允许对每一个器件进行校正和编程，以弥补制造上的缺陷。因此，可编程性可以使器件制造商放宽公差，从而在降低成本的同时提高器件成品率。 　　但是，IC设计者们必须仔细地逐项考虑增加可编程性是否能够真正地降低传感器芯片的成本。这种权衡可能是极其棘手的。如果考虑不当，将非易失性存储器添加到主要是模拟功能的芯片上就会导致成本上升而不是下降。要将非易失性RAM与模拟功能结合在一起，需要使用更加复杂的晶圆片加工工艺，存储器会增加芯片面积，从而降低了成品率，而编程则会增加测试时间。 　　尽管IC技术在汽车传感技术中日益占居主导地位的理由很充足，但并非所有的汽车传感器都是采用IC的。远非如此。不过，现在还没有任何别的制造技术能如此适合生产这些传感器。制造IC的成批加工工艺可以生产大量的、功能特性受到精确控制的器件，其结果是器件成本极低。事实上，许多汽车传感器IC的封装成本已经高于芯片的成本。即使这样，封装后的器件成本通常也比用其它方法生产的器件低。可以说，在许多情况下，即使是汽车制造商愿意支付相当高的费用（何况他们事实上不愿意），用其它方法根本就生产不出合适的器件来的。 　　封装占用一笔很大的成本 　　封装成本在汽车传感器的成本中占有很大比重，对此谁也不会感到意外。封装必须保护本来就脆弱的芯片不受极端环境的影响。再则，某些IC传感器对封装提出了极为苛刻的要求。例如，某些位置传感器要求精确监控制IC芯片相对于封装外部特征的位置。要满足这些要求，需要专门的装配工艺和夹具。 　　即使没有提出这类特殊要求，汽车传感器的封装也必须保护芯片免遭大多数商用器件从未遇到过的工作条件的影响。不仅芯片，而且封装包封本身也必须保证能在-40～ +125°C的温度范围内正常工作（对安装在发动机组件上的IC，其工作温度范围是-40～ +150°C）。再则，封装必须保护芯片免受高湿度的影响，在某些情况下还要抗盐雾的影响。封装还必须保护芯片免受极端冲击和震动的影响，而芯片本身还必须承受很强的静电场和RF电磁场的干扰。这些要求通常与军事装备和航天设备中所用IC的要求相同，只在某些场合单位体积可以放松一些，而且汽车公司也不会以军用品的价格来支付，在某些情况下，甚至还要求低于普通商品的价格来支付。 　　你也许认为，汽车设备中大量使用完全相同的传感器会使定制封装符合汽车客户的心意。但是，汽车传感器的购买者在可能的情况下宁愿购买标准化封装的IC，至少从尺寸的角度来说是这样。标准封装的基础结构（如测试插座）早已存在，因此，找到多家生产标准封装IC的厂家要比寻找多家特殊封装IC制造商更容易。IC传感器制造商们估计，他们生产的汽车传感器至少有一半是符合工业标准外形封装的。 　　尽管尺寸是标准化的，但几乎所有这些封装都是IC或封装制造商使之适用于汽车行业的版本。ISO（国际标准化组织）已经制定了有关汽车用IC和IC封装性能各个方面的标准。其中一项标准，即ISO/TR 7637/1，包含了器件承受ESD（静电放电）的性能规范。 　　有些时候，对商用级器件进行改进，使之适用于汽车设备，需要对封装给予更多特别的关注。各种改进可能要求大大改变晶圆片加工工艺。比如说装在发动机罩下面的光传感器就是这种情况。一般来说，光电二极管探测器的工作温度只能达到85°C，超过这一温度（在少数情况下，可以超过100℃），反向偏置的光电二极管的漏电流就会过大。但是，改变该器件掺杂就可使它在125℃的环境温度下工作。 　　螺旋形的供应链 　　购买传感器的大多不是汽车制造商本身，而是汽车制造商的供应商，或者是向汽车制造商提供组件的供应商。举例来说，公司A可能向公司B出售电动车窗调节器（特种电动机），而公司B则将完整的车门组件卖给制造汽车的公司C。在这种情况下，最有可能需要第二家供货商的公司是公司B，然而，公司B很可能会误以为自己拥有多个供货商。 　　假定电动车窗调节器是一种以电动机为主制造的新型"一按即上升"装置，内含撬杆（或遮挡）传感器。为了防止有人因其手或颈档住窗户向上运动而受伤，老式调节器要求驾驶员或乘客在窗户向上运动期间始终按住按钮。而"一按即上升"调节器只需要按一下就行了；如果一个芯片上的传感器能确定电动机的扭矩过大，则电动机里的控制IC就会使窗户反向运动。即使是公司B有第二家供应商D可供应调节器，公司A和D都可能从公司E获得这种检测撬杆的电动机控制IC。因此，如果公司E那里出了问题，就会停止向公司A、D供应这种调节器。 　　有些非汽车用嵌入式系统采用为汽车设备开发的元件。这种非汽车用嵌入式系统的开发人员所关心的一个问题是将来能否得到必需的支持。许多非汽车公司想购买这些元件，但购买较少，只有几千甚至几百，而汽车供应商签订合约购买的元件数量则是几十万，或几百万个。 　　半导体制造商对这样的问题有几种答复。首先，他们说，他们认识到非汽车传感器的总销售潜力可能是一笔有利可图的大买卖。为了向设备设计师们提供他们所需要的信息，大多数制造汽车传感器的IC公司都公布详细的数据资料，其中有打算将这些元件用于非汽车设备的设计工程师们所需的各种信息。IC公司也正努力提高其分销商的应用支持能力。此外，有几家IC公司说，它们的工厂应用支持人员真的盼望着能为购买量不大的客户提供帮助。 　　有些公司（例如Melexis公司）不仅提供演示板，而且还提供其传感器产品的开发套件。Melexis公司已经建立了它自己的网站，让客户上网购买这些器材。内含非易失性RAM的传感器，之所以可以网上购买，是因为对于传感器规范制定者和使用这些器件的设备设计师们来说，可编程性是一个关键的问题。IC公司认识到，它们必须提供能使那些设计师在实验室里为传感器编程的信息和设备。此外，设备制造商们也常常需要在生产中用不同的工具来对传感器IC进行编程，而IC公司则承诺为这一设备提供或开发相应的资源。 　　多样化需要 　　现代汽车使用的传感器种类繁多。图1示出了几种传感器装在现代豪华小汽车中什么地方。表1的矩阵列出了若干被测参数值和通常用来测量这些参数的技术（传感器种类）。但是，这一矩阵是不全面的。例如，它既没有包括流量传感器，也没有列出检测具体化学成分和元素（如O2）的传感器（图2）。化学传感器是汽车排放控制系统中的关键元件。 　　参考文献1比较全面地阐述了可用的部件和技术。但是要记住，因为该书是一家主要的汽车传感器制造商编写的，所以它引用的例子全都是来自自己公司的各个产品系列。 　　目前被认为几乎与汽车设备同义的一个传感技术领域是基于MEMS（微电子机械系统）技术的加速度计。正如参考文献2所述，尽管MEMS器件的制造与IC的制造密切相关，而且某些基于MEMS的传感器就是既有传感元件又有IC信号调节器的一块芯片，但是MEMS制造商不喜欢把它们的产品称之为IC。 　　然而，有些批量生产的、指甲大小（或更小）的廉价器件能检测或产生运动，这种器件的思路既新颖又与众不同，足以使人有科幻的感觉。毫无疑问，以MEMS为基础的汽车传感器的应用，除了当今电容式加速度计之外还将继续扩大。确实，MEMS很有可能会成为首要的汽车传感器技术，例如，据报道，一些MEMS制造商正在积极地开发以MEMS为基础的陀螺仪。 　　远不如MEMS传感器那样具有吸引力但仍然占有极为重要地位的是磁性器件，例如参考文献3所述的传感器。尽管参考文献3所述的旋转位置传感器和速度传感器大多利用霍尔效应，但是某些较新的传感器则是以GMR（巨磁阻）效应为基础的。GMR技术因其在提高硬盘驱动器的面密度方面的重要性而受到广泛关注。但是，霍尔器件的优点在于它能够将检测功能和信号的调节功能组合在一块IC芯片上。图3示出了磁阻角度传感器在汽车上的应用。 　　在汽车上设置总线 　　汽车传感器提供数据的方法是许多论文（如参考文献４和５）的主题。大多数传感器基本上都是以模拟方式检测物理现象的模拟传感器。几十年来，每一种传感器产生的模拟输出，对于该传感器技术所检测的变量范围而言都是独一无二的。把这些输出信号转变为可以利用的形式是独立的信号调节器的任务，而该调节器通常都以电路模块的形式出现。传感元件的输出常常是一个低电平模拟电压或电流，而且常常是被检测变量的非线性函数。当今的原始（或不存在的）计算函数需要线性化的高电平输出，按照被测变量进行标度，并且经常对补偿和增益进行修正。后来，又常常将几种传感器和信号调节电路集成在一起，并且将输出设定成标准范围值。在工业应用，特别是在过程控制中，输出范围标称值为4～ 20 mA。 　　由于A/D变换器的尺寸大大缩小，成本显著降低，已使人们能够生产出成本几乎不比模拟电路高的小型数字输出信号调节器。数字通信的广泛应用推动了可通过标准数字协议进行通信的信号调节器的设计。基于IC技术的传感器的发展，使人们有可能将传感器、信号调节器和标准化数字接口集成在一块低成本的IC上。即使是这样，许多现代汽车仍然在采用模块化的信号调节器，例如图4所示的信号调节器。 　　虽然这一结果听起来很棒，但也不是没有问题存在。一个主要问题在于掌握这种技术很容易，或者是有太多的电子工程师们太有创造力，或者是他们过高估计自己的创造力。现在看来，好像每位在世的电子工程师都至少设计了一种新型总线和相关的通信协议，而这些总线和协议中任何两个都是不相兼容的。那座由过多互不兼容的总线和协议"标准"所构建的巴比通天塔造成了时间、精力和金钱的巨大浪费。 　　汽车工业不能不受到这些总线竞争的影响。最著名的汽车总线是CAN（控制器区域网，参考文献4）。CAN最初在欧洲的汽车制造商中拥有一批支持者。而一种较新的总线是LIN（本地互连网），它不是为了取代CAN，而是对CAM的补充。LIN是一种低成本的总线，用于对汽车主人的安全并不十分重要的应用场合。在LIN协会的网站上，你可以了解到大量汽车公司和电子公司正在使用LIN总线。 　　内容提要 　　· 传感器已经在汽车设计中起主要角色的作用。这一作用随着汽车功能（如稳定性控制和电子油门控制）的增多而愈来愈大。 　　· 对于许多种传感器来说，只有IC技术才能生产出满足汽车工业要求的器件，亦即这些器件成本低，能在极端的环境下可靠地工作许多年。 　　· 既有探测功能又有非易失性RAM的IC可使器件制造商对芯片进行编程，以弥补制造上的缺陷。但是，设计师们必须想方设法防止这种混合IC的成本上升。 　　· 可编程性使非汽车嵌入式系统设计师对汽车传感器进行修改，使之适合他们的需要，而可以以低成本获得牢固性和高可靠性。 　　图 1 　　标记示出了新型豪华小汽车中仅仅几种传感器的性质和位置。 　　图 2 　　Teledyne公司所提供的这些简单传感器在汽车排放控制系统中检测氧气。 　　图3 　　Philips半导体公司的磁阻角度传感器芯片- KMZ43T - 利用较小的磁铁解决了传感器在汽车中安装的大问题，从而使安装更加容易，设计成本降低。 　　图 4 　　许多汽车传感器仍然需要单独的接口来驱动那些根据传感器信息来进行实时决策的系统。这一印制电路板组件包含有信号调节电路。 技术纵横__2003年2月30日