Cảm biến siêu âm nhúng cho radar ô tô
Một phương pháp lắp ráp mới cho các radar tầm xa trên ô tô có thể cho phép áp dụng công nghệ này rộng rãi hơn.
Trong thập kỷ qua, tính đa dạng và hữu ích của các hệ thống cảm biến lắp sẵn trên ô tô ngày càng tăng. Thông thường, những hệ thống này được cung cấp như tùy chọn trên những chiếc xe ô tô cao cấp, thường là từ các nhà sản xuất châu Âu.
Có các cảm biến siêu âm để đo khoảng cách trong cuộc diễn tập như đỗ xe song song và cũng có hệ thống video để quan sát vào ban đêm. Có thể phân loại các hệ thống cảm biến khác nhau thành các nhóm sau: thiết bị tăng cường an toàn, thiết bị thuận tiện hoặc một thiết bị kết hợp cả hai tính năng này.
Cũng như các loại cảm biến khác, radar ô tô hiện đã có trên những chiếc xe cao cấp. Radar ô tô có giá trị an toàn cao nhờ rất nhạy khi phát hiện và định vị các phương tiện khác, đặc biệt khi đang đi với tốc độ như trên đường cao tốc và được gọi là radar tầm xa là bởi vì có thể quan sát được vật cản phía trước trong pham vi 200-300m. Radar tầm xa đã được kết hợp với điều khiển hành trình của xe để tạo ra cái được gọi là điều khiển hành trình thích nghi.
Phương thức hoạt động: Giả sử bạn đang lái xe với tốc độ 80 dặm/giờ trên làn đường nhanh tại đường cao tốc liên bang và đang sử dụng điều khiển hành trình. Chiếc xe phía trước của bạn, cũng đang chạy trên làn đường nhanh, nhưng chỉ với tốc độ 75 dặm/giờ. Radar tầm xa sẽ nhận ra chiếc xe đó, ghi lại vị trí, tốc độ, trao đổi thông tin với bộ điều khiển hành trình của bạn để giảm tốc độ của bạn xuống 75 dặm/giờ và giữ khoảng cách an toàn giữa 2 xe. Nếu chiếc xe phía trước tăng tốc lên đến 80 dặm/giờ hoặc hơn, hoặc nếu nó di chuyển sang phải, bộ điều khiển hành trình thích nghi sẽ tăng tốc độ của bạn quay lại 80 dặm/giờ. Tuy nhiên, tại bất kỳ tốc độ nào, radar tầm xa có thể làm việc để duy trì một khoảng cách an toàn giữa xe của bạn và chiếc xe phía trước, do đó giúp tránh va chạm phía sau.
Vì radar tầm xa trên ô tô có giá trị cao về mặt an toàn, nên sẽ có ích khi mở rộng sử dụng các radar này vượt xa những chiếc ô tô đắt tiền tới những model ít tốn kém hơn. Thật không may, việc mua và lắp ráp các thành phần cần thiết để thực hiện một hệ thống radar ô tô vốn khá tốn kém.
Một vài năm trước Fraunhofer Institue IZM, trung tâm nghiên cứu của Đức, nơi đưa rất nhiều ý tưởng khả thi vào thực tế sản xuất, đã tìm ra một phương thức để giảm bớt chi phí của các hệ thống này. Các hệ thống radar ô tô thường bao gồm các thành phần được gắn vào một bảng mạch in (PCB). Các nhà nghiên cứu tại Fraunhofer thấy trước được rằng có thể giảm chi phí bằng cách sử dụng phương pháp lắp ráp là đặt các thành phần vào bên trong bản mạch in. Sau đó, chính phủ Đức cấp kinh phí cho một liên doanh gồm: hãng sản xuất các bộ phận ô tô Bosch, hãng sản xuất bản mạnh in Wuerth Elektronik và Fraunhofer Institue IZM.
Lợi ích của radar ô tô tầm xa, với giá thành khiêm tốn sẽ vượt xa tác dụng bảo vệ lái xe và hành khách trong một chiếc BMW cao cấp đang “bay” trên xa lộ với tốc độ cao. Ở mức độ trần tục hơn, hầu hết các tai nạn xe tải ở Đức là do va chạm từ phía sau – gây ra khi người lái xe tải không thể dừng lại đúng lúc – các vụ va chạm thường xảy ra với tốc độ 10 đến 30 km/h. Đa số các vụ tai nạn này có thể được ngăn chặn nếu nước Đức bắt buộc sử dụng radar tầm xa trên tất cả xe tải. Những luật định như vậy ngày nay chưa có, nhưng nếu giám đáng kể giá thành của các hệ thống radar tầm xa sẽ làm cho ý tưởng này trở nên hấp dẫn hơn. Chẳng hạn, hiện nay BMW tính giá khoảng 1.800 € đối với bộ điều khiển hành trình thích nghi với khả năng “dừng-và-đi”. Do vậy, mục đích chính của liên danh này là giảm chi phí sản xuất hệ thông radar tầm xa khoảng 30% để biến công nghệ này trở nên khả thị hơn để tích hợp trong những chiếc xe tầm trung.
Hợp lý hóa quá trình lắp ráp
Các hệ thống điện tử được cài đặt trong xe ô tô thường phải trải qua quá trình phát triển nghiêm ngặt hơn so với các hệ thống dành cho ứng dụng khác. Môi trường của một chiếc ô tô buộc các thiết bị điện tử luôn phải chịu các biến đổi nhiệt độ vô cùng mạnh mẽ, khói độc hại, rung và sóc bất tận. Trong điều kiện bình thường, giảm đi một phần nhỏ chi phí sản xuất một bản mạch in được tạo ra với các mạch điện tích hợp, điện trở, tụ điện, connector và tất cả các phần còn lại sẽ là một thách thức đáng kể.
Chúng ta có thể hiểu được một phần chi phí nếu chúng ta xem xét các bước liên quan trong việc áp dụng một vi mạch được bao bọc trong một vỏ nhựa (chip máy tính) cho một bản mạch in. Con chip này được loại bỏ khỏi ống nhựa hoặc băng mà nó đã được cung cấp trên đó, được nhấc ra bởi chân không hoặc bằng nhíp, và đặt trên kem hàn trên bản mạch in. Sau đó, toàn bộ bản mạch được làm nóng lên khoảng 260°C để làm chảy que hàn sao cho các đầu kim loại dính bên ngoài vi mạch có thể tạo thành các connector dẫn điện với bản mạch. Sau khi làm mát, bản mạch được làm sạch và kiểm tra. Có rất nhiều bước xử lý tham gia vào quá trình này, để tránh nguy cơ vi mạch được bao bọc trong vỏ nhựa bị hỏng hóc.
Viện Fraunhofer đã có lợi thế lớn trong việc thay đổi kịch bản trên. Công nghệ Chip trong Polymer của Viện cũng có cùng mục đích cơ bản như quy trình làm chảy mối hàn được mô tả ở trên – để kết nối chip silion với các đơn vị hiển thị, bộ phận điều khiển, và các bộ phận khác của hệ thống, trong đó con chip là một bộ phận. Tuy nhiên, cách tiếp cận này rất khác.
Chip trong Polymer
Chip trong Polymer bắt đầu với một chất nền rất mỏng, mỏng hơn nhiều so với một bản mạch in điển hình. Chất nền có thể là FR4 (sợi thủy tinh epoxy laminate) hoặc đồng. Chất được nhúng thường là chip silicon. Chip silicon, trước đây được làm mỏng với độ dày khoảng 50 μm, sẽ được gắn chắc vào chất nền và mặt hướng lên phía trên. Sau đó một lớp đồng bọc bằng nhựa thông sẽ được đặt trên cùng. Nhựa thông đàn hồi cho phù hợp với chiều cao của chip sao cho lớp đồng phía trên cùng vẫn phẳng.
Khi nhựa thông đã được lưu hóa, tia laze sẽ khoan các lỗ xuống qua lớp đồng- nhựa thông tới các tấm tiếp xúc trên con chip. Các lỗ được mạ đồng, và lớp đồng trên cùng được khắc sao cho chỉ để lại một chút đồng để nối con chip với phần còn lại của hệ thống (Hình 1).
