增加車輛安全性　MEMS加速度計需求升溫

時至2010年末，歐洲地區道路意外死亡事故與2001年相比時，數目已減少了一半。雖然這與2003年時歐盟執行委員會所定下的目標仍有差距，但是根據估計，歐盟二十七個會員國平均仍降低40%左右。事故及傷亡數目的減少，也反映出其他西方國家的趨勢，包括最近一份由美國所公布的最新結果，美國國道交通安全管理局(NTHSA)指出，2009年的死亡數目是1950年以來的新低點。這些成就最主要歸功於幾項關鍵因素，例如法規、道路建設及駕駛人行為，但最重要的，是車輛整體安全性的提升。

過去數10年來，安全帶及安全氣囊等被動式的保護系統的確扮演關鍵角色，使數千條性命得以獲救。今日，許多國家的政府機構都已準備再進一步，要求從被動式的安全轉向主動式的安全。自2011年起至2020年，將逐步導入可防止碰撞的新款主動式安全系統，包括車輛的電子式穩定控制(ESC)。

ESC是防煞車鎖死系統(ABS)及防滑控制系統(TCS)的進一步的改良版。其基本功能在於透過施加差速煞車力和減少引擎扭力，使車輛發生打滑時可以穩定車身。這種自動反應的設計可改善車身穩定性，尤其是在急轉彎或遇到路面磨擦力不足時減少轉向過度或轉向不足的問題。ABS系統中須加裝額外的感測器，以便實現ESP功能，內容包括用於測量車體動態反應的方向盤角度感測器、偏滑率感測器及低重力值加速感測器。

高安全性ESC備受矚目

拜高安全性所賜，ESC在過去15年來廣受注意。許多國際研究都指出，大量數據證明ESC可大幅降低碰撞風險，每年拯救數千人免除死於非命。事實上，美國、日本及歐洲許多汽車製造商都已經將此一設備當成部分車款的標準配備，並向客戶推薦其安全優勢。

據豐田(Toyota)和戴姆勒(Daimler)等公司的估計，ESC能夠減少單一車輛35～42%的事故風險。NTHSA在2006年則估計，風險可大幅減少30%以上，每年可避免達九千六百宗的死亡事故，以及二十五萬二千件的傷害事故。

以在德國國內十分受歡迎的車款SUV為例，由於重心較高，在駕駛條件惡劣的狀況下，容易導致車輛翻覆或是方向盤失控，配備ESC之後，這類車款的車輛翻覆問題可大幅減少達80%以上，因這樣的安全性優勢讓各國政府要求以ESC作為客車的必要安全配備。2012年以前，美國所有重量在4.5公噸以下的新車都必須完成ESC配備，而歐盟執行委員已完成立法，規定2014年11月以前新車必須配備ESC，在這之前其他主要國家如如巴西、日本及南韓則均已宣布自2012年起要求強制裝設ESC。2010年時全球的ESC配備比率約為35%，顯示距離達成全面配備的目標還有很長的一段路要走。

這些法規創造龐大的需求，使Strategy Analytics在近期宣布安全系統將會在2009～2014年間成為成長量最大的應用之一。推動成長量的主要因素，來自於數種包含ESC在內的主動式安全系統，它將從目前的二千六百萬套成長至2014年的四千四百萬套。

據iSuppli估計，屆時背後蘊藏的商機約為四千七百七十萬組MEMS加速度計，66%為獨立式雙軸低重力感測器。

事實上，過去數年來，系統需求也已不斷變化和改進，以便因應各種車型如四輪驅動車輛及各種氣候下的路況，透過雙軸低重力感測器的使用，同時整合新功能，如上坡啟動輔助及電子式駐車煞車(EPB)，可精確測量車輛在坡道上的傾斜度，這些新增的功能再加上ESC所需的精密效能，對加速度計形成挑戰。

MEMS感測器設計挑戰大

在ESC系統裡，各種MEMS感測器通常都會安裝在非常接近車輛重心的位置，其作用就是持續注意車體底盤的動向。以低重力慣性感測器併用可用於偵測垂直軸的角加速度的偏滑率感測器，便可偵測車輛的側面加速度，為系統提供額外資訊，一旦車輛開始打滑失控時，由於這種加速度低於1g，因此慣性感測器必須非常靈敏，才能精確感應到低重力動作。這使元件的輸出需要低雜訊、零重力加速與偏移幅度也較小。

此外，加速度計還要能抵禦車體在底盤帶來的高頻振動，從一般駕駛狀況下的數百Hz、到路面衝擊所帶來的數個kHz等振動皆可發現頻寬甚大的低能量訊號。所有高於1kHz的頻率都必須濾除，以避免干擾感測器的反應。

圖1　ESC應用專屬的雙軸式XY低重力感測器

在定義上，內部感測器對於任何來源的加速非常敏感，因為微加工(Micro Machined)感應元件是以震源體移動相對固定平面的移動方式為偵測基礎。感測器輸出訊號通常都會經過過濾，高頻干擾已經消除，感測器搭載可消除此類多餘高頻加速內容的過阻尼感測器(Overdamped Transducer)後，可在物理上提供額外效益。

飛思卡爾(Freescale)最近發表新型的XY低重力加速計(圖1)，可克服上述問題。新元件提供穩固的設計，能充分抵禦衍生而來的振動，而且感應範圍大(±3.5g)，因而使ESC應用即使在車體翻覆、重力達到±1.7g的狀況下仍能維持運作，同時提供低雜訊輸出、在所有車體環境範圍內(-40～105℃)仍有±50mg的補償穩定性。

厚SOI層MEMS元件可改善雜訊問題

加速度包含表面微機械化電容式感應組件，以及調節訊號(轉換、放大、過濾)專用的特定應用積體電路(ASIC)，全都組合在一個6毫米(mm)×6毫米的扁平無接腳封裝(QFN)塑膠封裝內。元件效能中的關鍵組件之一，要歸功於可靠的高深寬比MEMS感測器(HARMEMS)。

而所謂的高深寬比(High Aspect Ratio)意指感測器中的關鍵機械功能寬度，如彈簧系統中的彈簧部分，或是可動與固定電容板之間的縫隙，這種高深寬比所具備的技術，是組合了25微米(μm)厚的絕緣上覆矽(SOI)層和以深反應離子蝕刻(DRIE)產生出來的窄溝。HARMEMS的SOI製程使用合成矽晶層，加上空橋，進而為MEMS沖模產生電氣連接，以DRIE產生MEMS架構之後，便會在犧牲氧化層上形成複合空橋，然後再以定時化學蝕刻釋出MEMS結構。

圖2　HARMEMS感測器的近觀，具備較厚的SOI層、較窄的溝渠與複合橋接。

單晶SOI對於DRIE製程控制較佳，因此使元件的機械特性更為一致。厚SOI層(圖2)可為會移動的機械組件提供較堅實的特性、質量亦較大，電容值也較高。這樣的優點是，由於雜訊效能改善，比起標準表面微機械製程，敏感度也會提升，再加上改良的可靠度，就能減緩使用時的阻力。

結合高真空密封與玻璃介質晶圓鍵合，感測器便會在移動時遇到可觀的空氣阻力，這種過阻尼機械效應可為低於1kHz的天然緩衝。最後，系統也透過MEMS製程的高深寬比而得以啟用小規模容錯。較厚的電容面板代表感測器結構平面較不易因為封裝隨溫度變化改變應力而變形，還有，HARMEMS改進的訊噪比也降低感測器系統裡的感測器訊號增益，感測器、積體電路或封裝中的問題減少，也會同時降低產品系統的整體問題數量。

透過混合訊號強化元件偵測解析度

對於訊號調節，則使用已於汽車驗證使用的0.25微米類比混合式訊號技術，加上精確類比區塊與高速互補式金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯電路。其平方毫米25K閘(Gate)的高密度，可將複雜的數位訊號處理器(DSP)與眾多參數式調節選項整合。兩組分別供給X和Y通道的獨立16位元Sigma Delta(ΣΔ)轉換器，則可作為感測器與DSP之間的介面。藉由ΣΔ轉換的高度過篩頻率，訊噪比與動態範圍隨之增加，因而偵測解析度得以提升。發生加速過載時，元件擁有最長4毫秒(ms)的恢復時間。

實行完整的數位訊號調節所帶來的優點包括可程式化(濾波、加速範圍)及自動診斷等。資料完整性的特性也有助於改善系統的防錯策略，例如程式資料陣列的連續同位檢查及SPI指令等，都可找出運作時潛在的「位元翻動」(Bit Flip)現象，一旦錯誤檢查找到問題，元件便會以錯誤訊息回應，以確保通訊錯誤不會被誤判為實際有效的加速測量。元件溫度及所有關鍵內部電壓均持續受到監控，以確保加速測量的準確度，如果電壓超過限制，或是當溫度過高而發出錯誤訊息時，元件便會重設。

MEMS加速度計提供第十一個無雜訊位元資料輸出，進而減少印刷電路板(PCB)繞線效應造成的感應。此外，還具備3.3伏特(V)或5伏特的雙重電源供應，為系統設計師提供彈性。

圖3　MEMS加速度計使用QFN 6毫米x6毫米封裝時的堆疊式沖模組態。

至於封裝部分，廠商推出的加速度計使用十六接腳，6毫米×6毫米×1.98毫米的QFN封裝(圖3)。此一工業標準封裝可有效縮小PCB設計面積，並抗拒衍生而來的振動頻率。事實上，根據FEA的結果，元件初階封裝鼓模式共鳴頻率約為160kHz，這比任何車體內可能發生的振動頻率都要高。

多軸MEMS元件大勢所趨

飛思卡爾在安全氣囊感測器的研發、設計、模擬及製造方面已有超過15年的經驗，並將可靠的流程與技術帶進汽車整體安全領域。由於全球各種法規所衍生而來的大量感測器需求，已經形成新的挑戰，尤其是系統成本部分。

汽車供應商與製造商都在嘗試將各種安全模組如安全氣囊和ESC進一步整合，以形成新的系統區隔。雖然合併被動式與主動式的系統有其優勢，但同樣也會對感測器特性造成新的影響，因而需要不同的整合方式，亦即將會用到多軸式元件，再整合不同的感應組件，如偏滑率加上低重力，或中重力加上低重力感測器等組合，便能因應不同的模組組態。MEMS廠商已蓄勢待發，將系統專業和新技術結合、研製出新一代的解決方案，克服這些的挑戰。

(本文作者任職於飛思卡爾)