最初在車(chē)內部署安全氣囊系統時(shí)，氣囊通常只配備在駕駛座。汽車(chē)制造商很快決定同樣要保護其他乘客，因此在副駕駛座以及后座區域（某些情況下）安裝了安全氣囊。起初當檢測到碰撞時(shí)，安全氣囊總是全力的展開(kāi)。雖然氣囊系統挽救了不少生命，但很快明顯發(fā)現，如果坐在副駕駛座的小孩或嬰兒被牢牢限制于座位上，氣囊帶來(lái)的傷害可能會(huì )超過(guò)其提供的保護。因此，副駕駛座開(kāi)始加入能手動(dòng)關(guān)閉氣囊的設計。但是，駕駛員可能會(huì )忘了做這個(gè)必要的動(dòng)作。而且一旦關(guān)上氣囊，當乘客是成年人時(shí)，駕駛員可能會(huì )忘了把氣囊打開(kāi)。加入壓力傳感器系統。

 

 

在座椅上加入壓力傳感器系統后，整個(gè)氣囊系統通過(guò)監控副駕駛座椅上的重量來(lái)判斷是否關(guān)閉系統。這樣的做法毋庸置疑，但是制造商很快發(fā)現，對于不同的重量，他們需要使用不同的力道來(lái)展開(kāi)安全氣囊。而且，座位上的重量來(lái)源可能只是一袋雜貨。下一步是在展開(kāi)安全氣囊前先了解乘客的姿勢。例如，如果乘客向儀表板傾斜，則安全氣囊應以較小的力道展開(kāi)。有很多方法可以做到這一點(diǎn)。有些公司提供壓力傳感器織物，該織物可以墊在座椅上并判斷出乘客的姿勢，甚至能分辨兒童座椅和真人。有些公司則提供能感應乘坐壓力和乘坐位置的座位氣囊。有些公司提供結合紅外攝像機（因為必須在黑暗中工作）的座位傳感器，能識別出身體的姿態(tài)。

 

隨著(zhù)時(shí)間的推移，壓力傳感器系統的電子器件，被集成至含有處理器的 IC 中，成本和尺寸都獲得縮減。汽車(chē)公司現在可以提供一個(gè)連接到安全氣囊裝置的完整系統。雖然自動(dòng)駕駛汽車(chē)已不再需要駕駛座安全氣囊系統，但無(wú)庸置疑的是，還是需要盡可能在撞車(chē)時(shí)為乘客提供保護。

 

了解智能傳感器系統

 

基本傳感器系統包含一個(gè)可從外部模擬世界收集數據的傳感設備。當進(jìn)行完信號處理（例如放大、濾波或清除），會(huì )將生成的模擬數據發(fā)送到車(chē)內的另一個(gè)系統。

 

智能傳感器系統增加了模數電路（A-D），可為運行軟件的處理器提供信號，以便分析信號并做出決策（圖 1）。有了處理器和軟件，該系統便實(shí)現了智能化。然后，數字信號通常會(huì )連接到車(chē)內的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )系統，其中傳感器數據會(huì )進(jìn)一步作為另一個(gè)系統的輸入。

 

圖 1：比較基本傳感器系統與智能傳感器系統。

 

以我們的智能安全氣囊為例，智能壓力傳感器系統會(huì )實(shí)時(shí)收集有關(guān)乘客的數據，并使用嵌入式處理器上運行的軟件對其進(jìn)行分析。如果由于乘客狀況的變化需要向安全氣囊系統發(fā)送新警報，則智能傳感器系統會(huì )通過(guò)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送該警報。安全氣囊系統會(huì )針對該警報打開(kāi)或關(guān)閉安全氣囊，或者修改充氣設置來(lái)增加或減小安全氣囊展開(kāi)力道。

 

最后，為汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)智能傳感器系統的各家公司通常會(huì )以定制 IC 為目標，進(jìn)而降低成本、尺寸和功耗。智能傳感器的典型特征是，傳感設備使用 MEMS 來(lái)實(shí)現，而其余電路則是采用以 CMOS 技術(shù)實(shí)現的模擬／混合信號 (AMS) 設計。

 

銜接多個(gè)領(lǐng)域

 

從小型團隊到大型公司，設計人員通過(guò)開(kāi)發(fā)定制 IC，將新穎的智能傳感器創(chuàng )意推向巿場(chǎng)。這些設計人員，正在重塑用以支持智能傳感器系統的設計流程，他們心中懷有新的期望。他們通常在小型團隊工作，需要集成的設計流程，以便在盡可能減少開(kāi)支的同時(shí)快速、輕松地開(kāi)發(fā)可正常使用的器件。他們必須能夠開(kāi)發(fā)適用系統驗證的概念驗證，才能利用汽車(chē)市場(chǎng)的巨大商機。設計團隊需要使用集成式設計流程快速實(shí)現產(chǎn)品，從而快速開(kāi)發(fā)出智能傳感器系統所需的全部部件，包括：傳感元件、模擬電路接口、模數轉換邏輯和數字邏輯，而且所有部件的成本比傳統 IC 和系統設計更低。

 

許多設計團隊紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設計和驗證解決方案來(lái)創(chuàng )建智能傳感器系統。原因何在？ 創(chuàng )建智能傳感器系統會(huì )涉及多個(gè)設計領(lǐng)域，因此極具挑戰性。但是，在同一硅片（圖 2）上創(chuàng )建一個(gè)既有采用傳統 CMOS IC 流程制作的電子器件，又有 MEMS 傳感器的系統似乎并不現實(shí)。實(shí)際上，許多此類(lèi)系統會(huì )在單個(gè)封裝中集成多個(gè)芯片，將電子器件與 MEMS 設計分開(kāi)。

 

圖 2：CMOS 版圖上的 MEMS 實(shí)例（來(lái)源：MEMSIC）。

 

Tanner AMS IC 設計流程（圖 3）支持單芯片或多芯片技術(shù)，因而有助于成功實(shí)現器件的設計和驗證。

 

圖 3：銜接了 AMS 和 MEMS 設計的自上而下 Tanner 設計流程。

 

在單個(gè)芯片上設計電子器件和 MEMS 涉及到如下有趣之處（參見(jiàn)圖 2）：

 

• 電路圖可以包含 IC 和 MEMS 器件。IC 器件使用 SPICE 模型進(jìn)行建模，而 MEMS 器件則采用可直接在物理領(lǐng)域（如機械、靜電、流體和磁）建模的行為模型（圖 4）。

 

圖 4：電子器件和 MEMS 位于同一電路圖上。

 

• 為了支持初始 MEMS/IC 仿真，設計人員可以使用 System Model Builder 以及 SPICE 或 Verilog-A 中的解析方程來(lái)創(chuàng )建 MEMS 模型。結合 MEMS 仿真庫，設計人員就可以在初始階段就對整個(gè)設計是否符合預期予以驗證。

 

• 利用 MEMS PCell 庫，設計人員可以進(jìn)行版圖設計。此外，Library Palette（圖 5）提供了許多 MEMS 器件的基本版圖生成器，您可以將其用作設計的初始模型。

 

圖 5：用于創(chuàng )建 MEMS 器件版圖的 Library Palette。

 

• 然后，設計人員可以生成一個(gè)三維幾何模型，以便進(jìn)行查看、虛擬原型開(kāi)發(fā)，以及導出到有限元分析 (FEA) 工具。

 

• Compact Model Builder 采用的是降階建模技術(shù)，利用該工具，設計人員可以根據 FEA 結果創(chuàng )建行為模型，并將其用于最終系統級仿真中。

 

傳統上，系統設計的 MEMS 部分從創(chuàng )建 MEMS 器件的三維模型開(kāi)始，然后在第三方 FEA 工具中分析其物理特性，直到獲得滿(mǎn)意的結果。但是，設計人員需要二維掩膜才能制造 MEMS 器件。他們如何從三維模型中衍生出二維掩膜呢？他們遵循圖 6 所示的 Tanner 以版圖為導向的流程，由于三維實(shí)體模型是由版圖和工藝步驟結合生成的，因此在器件制造過(guò)程中的每一步都是可視的，從而降低出錯的風(fēng)險。

 

圖 6：以版圖為導向的 MEMS 設計流程。

 

從 L-Edit 的二維掩膜版圖開(kāi)始創(chuàng )建器件。然后，3D Solid Modeler 會(huì )利用這些版圖和一系列的三維制造工藝步驟，自動(dòng)生成器件的三維實(shí)體模型。導出該三維模型并使用您喜歡的 FEA 工具進(jìn)行三維分析，如發(fā)現任何問(wèn)題，可以進(jìn)行迭代。對二維掩膜版圖進(jìn)行適當的修改，然后重復流程。通過(guò)這個(gè)以版圖為導向的設計流程，設計人員可以將精力集中在一個(gè)可以工作的 MEMS 器件上，因為他們直接設計用于生產(chǎn)制造的版圖，而不是從三維模型進(jìn)行逆向工作。

 

增加價(jià)值

 

設計人員使用 Tanner 定制 IC 流程將 MEMS 傳感器集成到電子智能傳感器系統中。但諷刺的是，將整個(gè)系統置于 IC 上將卻導致價(jià)格降低。因此，團隊正在尋找創(chuàng )造更高利潤系統的方法。其中一種方法是傳感器融合：開(kāi)發(fā)一個(gè)包含多個(gè)傳感器的系統，從而創(chuàng )造具有更高價(jià)值的產(chǎn)品。

 

以我們的壓力傳感器系統為例，設計人員可使用陀螺儀傳感器將即將發(fā)生的翻車(chē)解決方案加入 IC 中，通過(guò)陀螺儀傳感器將訊號傳送至安全帶系統，以便在發(fā)生事故時(shí)自動(dòng)收緊安全帶。此外，團隊可以加入一個(gè)加速計傳感器，這有助于在不依賴(lài)乘客姿勢的條件下計算出安全氣囊展開(kāi)力道。通過(guò)在系統中融合三種傳感器并加入軟件實(shí)現智能化，公司就能以更高的價(jià)格將這個(gè)多維度的解決方案提供給汽車(chē)制造商。

 

重點(diǎn)回顧

 

閱讀到有關(guān)自動(dòng)駕駛的奇特系統雖然令人感到興奮，但其實(shí)單一用途的智能傳感器系統，才是真正實(shí)現自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。這些系統通常采用在業(yè)界使用多年的專(zhuān)用傳感器。創(chuàng )建智能傳感器系統會(huì )涉及多個(gè)設計領(lǐng)域（模擬、數字、MEMS 和潛在 RF），因此極具挑戰性。設計團隊紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設計和驗證解決方案來(lái)創(chuàng )建智能傳感器系統，因為它是一個(gè)可用于銜接這些設計領(lǐng)域的完整解決方案，從而

可以成功實(shí)現產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

 

 

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