現在，許多政府準備進一步強制實施相關計劃，將側重點從被動安全轉移到主動安全。在2011年至2020年期間，即將推出一系列新型主動安全系統來防止碰車，其中包括車輛電子穩定控制（ESC）。ESC是對防抱死制動系統（ABS）和牽引力控制系統（TCS）的又一次改進。它的基本功能是在單個車輪上采用差分制動力和減少發動機扭矩的方式，以防止車輛打滑并確保其穩定性。這一自動反應功能通過減少轉向過大、過小問題來提高車輛的穩定性，尤其是在車輛嚴重側偏，路面摩擦力小的情況下。ABS系統必須增添額外的傳感器來實現ESP功能，包括方向盤角度傳感器、偏航速率傳感器和低重力加速度傳感器，這些傳感器都用來測量車輛的動態響應。顯然，這為飛思卡爾半導體這樣的MEMS傳感器制造商創造了新的商機。

市場視角

過去這15年里ESC通過自身影響力，在安全領域做出了巨大貢獻。幾項國際研究表明，通過重要數據收集，ESC大幅降低撞車風險，每年幫助挽救了成千上萬人的性命［4］。事實上，日本、歐洲和美國的一些汽車制造商已引入該設備，將它作為部分車輛生產線的標準配置，從而大大提高了客戶的安全利益。豐田和戴姆勒估計，它能分別將兩家汽車的單一車輛事故風險降低35％-42%［5］。NTHSA預計，在2006年這一風險比例可能減少了30％以上，相當于每年減少9600次死亡和252 000次受傷事件。例如，在美國非常流行的運動型多功能車輛（SUV），由于其重心高，因而在艱難的駕駛條件下容易發生翻車或方向盤失去控制。裝備ESC后，這款車型發生翻車的可能性大大減少80％以上［6］。有了這樣的安全保障，各國政府強制規定客車必須安裝ESC作為安全設備：截止到2012年，在美國出售的最高噸位為4.5噸的所有新型車輛將必須配置ESC［7］。歐盟委員會則規定，截止到2014年11月為止，所有新車輛都要安裝ESC；其他國家，如巴西、日本和韓國也已經宣布了要在2012年及以后強制采用ESC。2010年ESC在全球的安裝比例已經達到35％左右，但是要實現全面實施，仍然還有大量工作亟需完成。

上述強制規定將使ESC的需求變得很大，并且據Strategy Analytics最近公布的消息顯示，在2009至2014年期間，安全系統將是增長最快的應用之一。這主要指包括ESC在內的幾大主動系統實施所帶來的結果，預計到2014年，ESC系統的實施數量將從現在的2600萬上升到4400萬個。iSuppli估計，到那時市場上的MEMS加速度計數量將達到4770萬，其中獨立的雙軸低重力傳感器占到66％。事實上，這些年來系統要求一直在不斷發展和改進，從而能夠更好地適應各種車型（如四輪轎車）和不同天氣條件下的道路需求。雙軸低重力傳感器的使用，則可以通過準確測量車輛在斜坡上的傾斜度，來集成類似上坡啟動和電動駐車制動器（EPB）等新功能。在增加這些功能的同時，又要滿足ESC要求的嚴格性能，這些要求綜合起來將對加速計提出巨大的挑戰。

傳感器要求

在ESC系統中，各種MEMS傳感器通常安裝在距離車輛重心很近的位置，它們的任務是保持觀察汽車底盤的運動。由于增加了偏航率傳感器來測量垂直軸的角加速度，低重力慣性傳感器則可以被用來檢測車輛的橫向加速度，從而向系統提供更多的信息。當車輛開始下滑并失去控制期間，這個加速度不到1g。因此，該慣性傳感器必須具有極好的靈敏度來感應到十分精確的低重力。這意味著設備輸出的噪音級別要求很低，而且零重力加速度在不同溫度中的變化小。此外，加速計必須對必須對汽車底盤出現的高頻寄生效應具有免疫力。在正常駕駛條件下的幾百赫茲到路面沖擊造成的幾千赫茲范圍內，可以發現大頻率帶寬的低能量信號。為避免破壞傳感器響應，高于1kHz的頻率必須要過濾掉。根據定義，慣性傳感器對任何來源的加速度都十分敏感，因為這一微加工感應元件是基于相對于固定板的質量塊運動的。傳感器輸出信號往往通過電子低通濾波來清除高頻寄生。擁有過阻尼功能的傳感器，可以消除多余的高頻加速度內容，這在機械方面又提供了一大好處。

飛思卡爾推出的MMA6900Q，是一款能應對上述所有挑戰的高級XY軸低重力加速計。它提供十分有用的特性和功能，使其能完全適合ESC系統的需求。該產品設計十分強韌，對寄生震動的免疫力很強，而且有很寬的全格感測范圍（+/ -3，5g），從而確保翻車時ESC應用仍能在+/- 1.7g范圍內運行。它還在-40°c 至105°C的整個車輛溫度范圍內，提供偏移穩定性為+/- 50mg 的低噪音輸出。

技術

與大多數飛思卡爾加速計一樣，該MMA6900Q設備包括表面微加工電容式傳感元件和用于信號調節（轉換，放大和過濾）的控制ASIC，均組裝在一個QFN6x6毫米的小型塑料封裝里。

該器件能實現性能的一個關鍵元件是它包含經過了驗證的高寬比MEMS汽車傳感器（HARMEMS）。“高寬比”指的是傳感器關鍵力學特性的寬度，如整體彈簧系統的彈簧部分或可移動和固定電容板之間的空隙。該技術是通過將一個25微米厚的SOI層，與DRIE（深反應離子蝕刻）定義的狹窄溝槽組合在一起，從而實現了這一高寬比。HARMEMS絕緣體上硅（SOI）工藝采用多晶硅沉積層（帶氣橋），組成了MEMS芯片的電氣連接。用DRIE組成MEMS結構后，犧牲氧化層上形成了聚合氣橋（poly air bridge）。之后，再使用定時化學腐蝕來釋放MEMS結構。單晶SOI可以更好地控制DRIE工藝，從而使器件在機械性能方面保持更好的一致性。厚SOI層加強了運動機械元件的剛性和質量，同時擴增了電容。與標準的表面微加工工藝相比，其優勢在于靈敏度和噪聲性能都有所提高，并且由于它更好地減輕了使用中可能出現的黏附，從而提高了可靠性。結合玻璃熔塊晶圓接合可實現的比真空密封還高檔的封裝技術，該傳感器在移動時會遇到相當大的空氣阻力，從而以低于1kHz的自然截止頻率提供過阻尼機械響應。最后，由于MEMS工藝的高寬比，還可以實現很小的系統容錯。電容板越厚，就意味著封裝應力隨溫度變化導致的傳感器結構板變形越小。而且，HARMEMS現在已經改善了信噪比，這意味著傳感器系統的傳感信號增益有所減少。這樣傳感器、ASIC或封裝的故障就減少了，從而使得產品系統的總故障數量減少。

在信號調試中，則使用已經過驗證的0.25微米模擬混合信號技術，該技術包括精密的模擬模塊和高速CMOS邏輯。25000個門控/mm2這樣的高密度，允許集成帶大量參數微調選項的復雜數字信號處理模塊（DSP）。用于X和Y通道的兩個獨立的16位Σ-Δ轉換器，則提供了傳感元件和DSP之間的接口。由于ΣΔ轉換帶來的較高過采樣頻率，以及信噪比和動態范圍擴大，它們的檢測分辨率不斷得到改進。在出現加速度過載后，該器件最長恢復時間為4毫秒。全數字信號調試在實施中應用了橋接的優勢，如可編程（過濾器和加速范圍）和自動診斷。數據完整性特性改善了系統的失敗安全策略，如編程數據數組和SPI命令的連續奇偶性確定，能夠在運行中檢測潛在的“位翻轉”。如果任何一項完整性校驗失敗，器件會立刻發送錯誤信息，避免將在通信故障曲解為有效的加速度測量。該器件的溫度和所有關鍵內部電壓都實行連續監測，因而加速度測量的精度有所提高。一旦電壓超過可接受范圍或者在溫度超過一定閾值時發送了錯誤消息，那么該器件就會復位。它提供了11位的無噪音數據輸出，降低了對PCB布線的影響感應。此外，它通過提供3.3V或5V的雙電源，為系統設計人員帶來更多的靈活性。

至于包裝，MMA6900Q則采用16引線的6x6x1.98mm QFN封裝。符合行業標準的封裝，使PCB設計體積變得更加小巧，而且對寄生頻率振動有更強的免疫力。實際上，第一個封裝鼓模式共振頻率大約為160kHz（每個FEA結果），這遠高于在車內發現的任何潛在寄生頻率。

未來發展

飛思卡爾在安全氣囊傳感器的設計、測試、仿真和生產方面具有13年以上的相關經驗，因而能夠為整體測量安全的商討提供可靠的工藝流程和技術。由于全球采用的各種強制規定導致傳感器體積變大，這又帶來了新的挑戰，特別是在系統成本方面。汽車供應商和汽車制造商將各種安全模塊（如安全氣囊和ESC）集成起來，意在進行新的系統分區。雖然被動和主動安全系統的融合會帶來一些好處，但它同時也對傳感器的特性產生了影響，這些特性要求達到一個新的整合水平。多軸組件是必須要提供的，它將不同傳感元件，如偏航率+低重里或中等重力+低重力傳感器集成起來，提供不同的模塊配置。飛思卡爾結合其在新技術方面的系統專業技術，積極開發這些未來解決方案，從而為應付這些新的挑戰做好了充分準備。