Cảm biến siêu âm nhúng cho radar ô tô

[tran_hieu0983]

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.

Hình chụp cắt lớp bằng tia X của các chip VCO nhúng, được nối qua 2 lớp kim loại.

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).

[tran_hieu0983]

Nhóm nghiên cứu của viện Fraunhofer đã sử dụng cách tiếp cận “Chip trong Polymer” cùng với phương pháp thứ 2 gọi là Duromer Embedding. Trong phương pháp này, đầu tiên chip được gắn quay mặt xuống trên một băng đỡ (carrier tape). Băng và chip được đặt trong một công cụ đúc ép chuyển, tại đó con chip được đổ khuôn lên phía trên bằng kỹ thuật đúc ép chuyển. Độ dày của hợp chất của khuôn phía trên mặt lưng của chip có thể kiểm soát được sao cho tất cả kết hợp chip-khuôn đúc có cùng độ dày, không phụ thuộc vào độ dày silicon. Để lắp ráp các hệ thống radar 77 GHz, tất cả từng IC radar đều được nhúng bằng quá trình Duromer vào một module được đúc khuôn (Hình 2), và Chip trong Polymer sau đó đã được sử dụng để gắn module dày 1 mm này vào chất nền cốt lõi.

Bản thân chip radar là một mạch dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) 77 GHZ từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), có kích thước 1,8 x 1,7 mm. VCO này cung cấp điện áp 5,5 và nhiệt độ hoạt động nằm trong khoảng -40°C đến 125°C. VCO thay thế mạch dao động Gunn; cả hai thiết bị có thể được điều chỉnh để dao động trong khoảng 70 đến 80 GHz, nhưng mạch dao động Gunn có kích thước lớn hơn chip này đến hàng trăm lần. Khi một diode, chẳng hạn như các diode trên VCO, bị phân cực, thông thường sẽ dẫn tới một đường cong hướng lên phía đi vào khu vực kháng trở dương. Ngược lại, Chip SiGe, lại đi qua một đường cong S, thay đổi giữa kháng trở âm (phần đi xuống của đường cong) và kháng trở dương đi lên. Sự thay đổi vào vùng âm chính là nguyên nhân gây ra dao động và làm phát ra các tín hiệu radar.

Hình chụp tia X của chip SiGe nhúng

Bằng cách loại bỏ một số bước trong quy trình và bằng cách thực hiện mà không cần dây, kết nối bằng dây và chất hàn, các nhà nghiên cứu của viện Fraunhofer đã hạ thấp được 30% chi phí của toàn bộ hệ thống radar như mong muốn. Bởi vì các tất cả IC của radar đều được nhúng ở một mức như nhau, nên có thể sử dụng các chuỗi ăng-ten bên trong IC để có được tia radar hẹp hơn. Tia radar rộng sẽ có độ phân giải không gian thấp hơn, do vậy có thể cho biết khoảng cách tới chướng ngại vật là bao xa, nhưng lại không đáng tin cậy để xác định vị trí từ trái qua phải của chướng ngại vật. Việc tạo ra tia radar hẹp hơn đòi hỏi cần phát triển các thuật toán mới, được viết ra do các nhà khoa học tại trường đại học Stuttgart, còn việc thiết kế, bố trí các chuỗi anten như thế nào lại do các học giả tại Erlangen thực hiện. Kết quả là, radar với chùm tia hẹp sẽ quét về phía trước và sau và hiệu quả hơn khi xác định vị trí của đối tượng cũng như đánh giá kích thước của đối tượng để phân biệt, số đo các chiều của vật để phân biệt, Các kết quả radar quét chùm tia hẹp trở lại và ra và không một công việc tốt hơn về vị trí của một đối tượng và đánh giá kích thước của đối tượng để phân biệt, ví dụ, giữa một chiếc xe hơi và xe gắn máy.

Hình 3. Mô – đun hoàn chỉnh của radar ô tô

Module hoàn chỉnh với các IC radar đã được nhúng (Hình 3) đã vượt qua các cuộc kiểm tra về điện và tuổi thọ, đây là chuẩn mực để đưa ra kết luận cho phát minh này. Mặc dù, một cuộc kiểm tra không cần thiết , đó là kiểm tra về khả năng chịu sốc, rung thường được tiến hành cho các hệ thống điện dành riêng cho các ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt. Công trình trước đó trong quá trình thực hiện chương trình phát triển “Chip trong Polymer” đã chỉ ra rằng các con chip được bảo vệ tốt đến nỗi không cần tiến hành thêm bất kỳ cuộc kiểm tra không cần thiết nào nữa. Quá trình nhúng và khớp các vật liệu cho phù hợp với nhau để tạo ra hệ thống này đảm bảo sự chuyển dich nhỏ nhất giữa các bộ phận với nhau khi bị rung hoặc va chạm cơ học và đảm bảo ứng suất chênh lệch nhỏ nhất trong các điều kiện chênh lệch nhiệt độ lớn.

Hệ thống radar với các con chip được nhúng như trên hiên nay vẫn chưa được lắp trong những chiếc ô tô mới, chủ yếu là do các thiết bị an toàn mới cần có thời gian để được chấp nhận từ từ. Tuy nhiên, dự kiến trong vòng từ hai đến ba năm nữa, chúng ta sẽ được thấy những chiếc xe đầu tiên có gắn thiết bị ưu việt này.v