CN217879264U - 一种加速度传感器及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种加速度传感器及车辆。传感器包括：基板，所述基板上设置有第一连接端和第二连接端；芯片，设置于所述基板上；所述芯片内集成有MEMS结构和ASIC结构；所述MEMS结构用于检测加速度和/或角速度，所述ASIC结构用于对所述MEMS结构输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理；所述芯片包括第一电源引脚、第二电源引脚、信号输出引脚和接地引脚；其中，至少所述信号输出引脚采用PSI5数字通讯接口；外围电路，设置于所述基板上；所述外围电路与所述芯片的引脚连接，用于对所述芯片输出的信号进行处理，并输出至所述第一连接端和所述第二连接端。本实用新型实施例的传感器可靠性及抗干扰能力，占用端子数量少。

Description

一种加速度传感器及车辆

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，尤其涉及一种加速度传感器及车辆。

背景技术

随着乘用车用户对乘用车的舒适性、安全性要求越来越高，汽车内各种传感器的数量和种类也急剧增多。在现有技术中，传感器使用模拟信号，可靠性与抗干扰能力较差，且由于模拟信号需要单独线束进行信号传输，占用控制器端子数量较多。

实用新型内容

本实用新型提供了一种加速度传感器及车辆，提升了加速度传感器的可靠性及抗干扰能力，且传感器输出信号采用PSI5数字信号，可以通过两根线束进行供电和数据传输，减少了占用控制器端子数量。

根据本实用新型的一方面，提供了一种加速度传感器，包括：

基板，所述基板上设置有第一连接端和第二连接端；

芯片，设置于所述基板上；所述芯片内集成有MEMS结构和ASIC结构；所述MEMS结构用于检测加速度和/或角速度，所述ASIC结构用于对所述MEMS 结构输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理；所述芯片包括第一电源引脚、第二电源引脚、信号输出引脚和接地引脚；其中，至少所述信号输出引脚采用PSI5数字通讯接口；

外围电路，设置于所述基板上；所述外围电路与所述芯片的引脚连接，用于对所述芯片输出的信号进行处理，并输出至所述第一连接端和所述第二连接端。

可选地，所述MEMS结构用于检测加速度，所述MEMS结构采用双轴向的低加速度传感结构。

可选地，所述芯片封装结构为SOIC封装。

可选地，所述MEMS结构和所述ASIC结构分别采用两片晶圆。

可选地，所述MEMS结构包括加速度传感单元和角速度传感单元，所述加速度传感单元和角速度传感单元分别采用两种晶圆。

可选地，所述外围电路包括：第一电容，所述第一电容连接于所述第一电源引脚和接地端之间。

可选地，所述外围电路还包括：

第一电阻，所述第一电阻连接于所述第二电源引脚和所述第一连接端之间；

第二电容，所述第二电容连接于所述第二电源引脚和所述接地引脚之间；

第三电容，所述第三电容连接于所述第一连接端和所述接地引脚之间；所述接地引脚与所述第二连接端连接。

可选地，所述外围电路还包括：第二电阻，所述第二电阻连接于所述信号输出引脚和所述第一连接端之间。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种车辆，包括：加速度传感器。

可选地，还包括连接器；

所述加速度传感器的数量为至少两个，至少两个所述加速度传感器的信号输出引脚连接至所述连接器的同一接口。

本实用新型实施例的技术方案中MEMS结构与ASIC结构集成，将模拟信号转换成数字信号并采用PSI5通讯技术方案，提高加速度传感器的可靠性和抗干扰能力，并且由于采用PSI5通讯接口，可以使用两根线束进行供电和数据传输，通过复用线束，减少占用控制器的端子数量，减轻线束重量。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的加速度传感器硬件PCB三维图；

图2是本实用新型实施例提供的MEMS+ASIC芯片内部晶圆连接结构图；

图3是本实用新型实施例提供的传感器连接端子对比图；

图4是本实用新型实施例提供的加速度传感器电路原理图；

图5是本实用新型实施例提供的OTP参数配置流程图；

图6是本实用新型实施例提供的加速度传感器MEMS+ASIC芯片内部信号处理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本实用新型实施例提供的加速度传感器硬件PCB三维图，图2为本实用新型实施例提供的MEMS+ASIC芯片内部晶圆连接结构图。参见图1和图2，传感器包括：基板190、芯片110、外围电路170(例如，电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1和电阻R2等)。

基板190上设置有第一连接端CON1:1和第二连接端CON1:2，且芯片110 和外围电路170也设置于基板190上。芯片包括MEMS结构210和ASIC结构 220，MEMS结构210用于检测加速度和/或角速度；ASIC结构220用于对MEMS 结构210输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理。芯片 110包括第一电源引脚Vddi、第二电源引脚Vdd、信号输出引脚Idata和接地引脚GND；其中，至少信号输出引脚采用PSI5数字通讯接口。

外围电路170与芯片110的引脚连接，用于对芯片110输出的信号进行处理，并输出至第一连接端CON1:1和第二连接端CON1:2。

其中，基板190为覆铜箔层压板经加工后制成，基板190的内部膜层设置有用于电路连接的覆铜线路。因此，基板190成为本实用新型实施例所提供的芯片等器件的承载体，同时提供各器件的电路连接。示例性地，参照图 2，引脚1为第一电源引脚Vddi，Vddi为芯片110供电电源；引脚2为信号输出引脚Idata，也称传感器供电信号引脚；引脚3为第二电源引脚Vdd，Vdd 为芯片110输出电压；引脚4为接地引脚GND，也称传感器地引脚；引脚5、引脚6、引脚7、引脚8为空脚。继续参照图2，TP1为传感器输出PSI5信号的测试点；TP2为芯片110的第一电源引脚Vddi的测试点；TP3为芯片110 的第二电源Vdd的测试点；TP4为信号传出引脚Idata的测试点。

MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的简称，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，MEMS结构210 能够进行加速度和/或角速度的检测。ASIC是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit)的简称，是应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路，ASIC结构220能够对MEMS结构210输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理。PSI是外围传感器接口(Peripheral Sensor Interface)的简称，是汽车传感器应用的接口，加速度传感器支持PSI5协议规范输出数字信号。

MEMS结构210用于检测加速度和/或角速度并传输给ASIC结构220处理转换为PSI5数字信号输出至外围电路170。其中，PSI5通讯采用曼彻斯特编码数字数据传输，支持125kbps和189kbps的高数据传输速度。外围电路170 对接收的PSI5信号进行处理，并输出至第一连接端CON1:1和第二连接端 CON1:2。

图3为本实用新型实施例提供的传感器连接端子对比图。参见图3，在加速度传感器的实际应用中，例如，应用于车辆中时，通常在车辆中设置多个加速度传感器，多个加速度传感器与同一个连接器进行连接。本实用新型实施例对MEMS结构210和ASIC结构220进行集成，将模拟信号转换为PSI5数字信号，PSI5数字信号能够采用分时方法传输信号。因此，本实用新型实施例中的多个传感器共用两根线束。示例性地，加速度传感器1、加速度传感器2和加速度传感器3中的第一连接端CON1:1(即信号输出端)均连接至端口e；加速度传感器1、加速度传感器2和加速度传感器3中的第二连接端CON1:2(即接地端)均连接至端口f。其中，加速度传感器1传输的信号ID为时隙1，加速度传感器2传输的信号ID为时隙2，加速度传感器3传输的信号ID为时隙3。因此，本实用新型实施例复用两根线束即可，为与之匹配的控制器节省连接端子数量、减轻线束重量。

然而，在现有技术中，每个加速度传感器均使用三根线束。示例性地，加速度传感器4、加速度传感器5和加速度传感器6中的传感器供电端口分别连接至端口a、端口a1、端口a2；传感信号端口分别连接至端口b、端口b1、端口b2；传感器地端口分别连接至端口c、端口c1、端口c2。由此可见，三个加速度传感器需占用九根独立的线束。

综上所述，本实用新型实施例通过设置加速度传感器的芯片集成有 MEMS结构210和ASIC结构220；MEMS结构210用于检测加速度和/或角速度，ASIC结构220用于对MEMS结构210输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理；至少信号输出引脚采用PSI5数字通讯接口。与现有技术相比，本实用新型实施例采用三个加速度传感器只需要复用两根线束即可，减少了七根线束的使用，从而为与之匹配的控制器节省连接器端子数量、减轻线束重量。

可选地，采用本实用新型的技术方案，还能够在功能安全等级方面进行提升，采用ASIL-B等级、SIL-C或者ASIL-D等级的芯片方案。

在上述各实施例的基础上，可选地，在MEMS结构210工作时检测的信号为加速度信号，采用双轴向的低价速度传感结构，集成X轴和Y轴的感应结构，可以同时获取两个轴向的加速度信号，并采用SOCI结构封装，减小芯片占用面积，提高芯片集成度。

在上述各实施例的基础上，可选地，MEMS结构210和ASIC结构220 集成于晶圆上，MEMS结构210和ASIC结构220分别采用两片晶圆上。需要说明的是，MEMS结构210可以包括加速度传感单元和角速度传感单元，加速度传感单元和角速度传感单元分别采用两种晶圆。该方案可以提高芯片的集成度，缩小芯片及传感器的体积。

图4是本实用新型实施例提供的加速度传感器电路原理图。参见图4，本实施例在上述实施例的基础上对外围电路170进行了优化，可选地，外围电路170包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2。

第一电容C1为芯片110电源入口的去耦电容；第二电阻R2用于传输芯片110叠加在供电信号上的电流型PSI5信号。第一电阻R1、第二电容 C2、第三电容C3构成滤波电路。该滤波电路能够对输出信号进行低通滤波，滤除高于截止频率杂波信号，提高传感器的可靠性以及抗干扰能力。

具体地，第一电容C1连接于第一电源引脚Vddi和接地端之间；第一电阻R1连接于第二电源引脚Vdd和第一连接端CON1:1之间；第二电容C2连接于第二电源引脚Vdd和接地引脚GND之间；第三电容C3连接于第一连接端 CON1:1和接地引脚GND之间；接地引脚GND与第二连接端CON1:2连接；第二电阻R2连接于信号输出引脚Idata和第一连接端CON1:1之间。

参照图1和图4，示例性地，芯片设置于基板190左半部分，第一电容C1水平设置，且设置于芯片110下方。第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2构成的滤波电路设置于基板190右半部分。第一连接端 CON1:1、第二连接端CON1:2设置于外围电路170的右侧，且位于基板190的一端。

图5是本实用新型实施例提供的OTP参数配置流程图。在上述各实施例的基础上，本实施例对芯片配置进行具体说明，参见图5，该OTP参数配置包括以下步骤：

S310、配置滤波截止频率；

其中，与外围电路滤波不同的是，该项配置对输入信号进行数字滤波，消除干扰，降低输入信号中的杂波，以增强传感器的抗干扰能力。

S320、配置PSI5通讯版本协议；

S330、配置信号是否反向；

S340、配置PSI5通讯模式；

S350、配置FOC有效/禁止；

S360、配置SOC有效/禁止；

S370、配置FOC限值；

S380、配置采样时间点；

本实用新型实施例通过OTP方式，在芯片出厂时一次性将配置参数烧录进芯片。在现有技术方案中，芯片生产方不对芯片进行参数配置，芯片配置参数烧录在传感器生产线上进行。在本实用新型实施例中传感器生产线不再对芯片参数进行配置，减少传感器生产工艺环节，提高传感器生产效率。

图6是本实用新型实施例提供的加速度传感器MEMS+ASIC芯片内部信号处理框图，本实施例在上述实施例的基础上对芯片内部信号处理进行了优化，内部信号处理过程如下：

传感器获取的加速度信号经∑△模拟/数字信号输出1bit信号，该 1bit信号由预设好截止频率的抽取数字滤波输出18bit信号，该18bit 信号由预设好截止频率的FIR有限长单位冲激响应数字滤波输出20bit信号，该20bit信号由预设好漂移标定值、残留漂移校对、漂移标定模式选择、RAW漂移初始值的快速&慢速漂移消处理后进行线性插值滤波输出20bit信号，该20bit信号通过信号调节后采用PSI5通讯方式处理，输出 14+2bit传感器数据。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括：

基板，所述基板上设置有第一连接端和第二连接端；

芯片，设置于所述基板上；所述芯片内集成有MEMS结构和ASIC结构；所述MEMS结构用于检测加速度和/或角速度，所述ASIC结构用于对所述MEMS结构输出的初始加速度信号和/或角速度信号进行数字信号处理；所述芯片包括第一电源引脚、第二电源引脚、信号输出引脚和接地引脚；其中，至少所述信号输出引脚采用PSI5数字通讯接口；

外围电路，设置于所述基板上；所述外围电路与所述芯片的引脚连接，用于对所述芯片输出的信号进行处理，并输出至所述第一连接端和所述第二连接端。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述MEMS结构用于检测加速度，所述MEMS结构采用双轴向的低加速度传感结构。

3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述芯片的封装结构为SOIC封装。

4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述MEMS结构和所述ASIC结构分别采用两片晶圆。

5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述MEMS结构包括加速度传感单元和角速度传感单元，所述加速度传感单元和角速度传感单元分别采用两种晶圆。

6.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述外围电路包括：第一电容，所述第一电容连接于所述第一电源引脚和接地端之间。

7.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述外围电路还包括：

第一电阻，所述第一电阻连接于所述第二电源引脚和所述第一连接端之间；

第二电容，所述第二电容连接于所述第二电源引脚和所述接地引脚之间；

第三电容，所述第三电容连接于所述第一连接端和所述接地引脚之间；所述接地引脚与所述第二连接端连接。

8.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述外围电路还包括：第二电阻，所述第二电阻连接于所述信号输出引脚和所述第一连接端之间。

9.一种车辆，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的加速度传感器。

10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，还包括连接器；

所述加速度传感器的数量为至少两个，至少两个所述加速度传感器的信号输出引脚连接至所述连接器的同一接口。

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