應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的MEMS傳感器有哪些？

多年來(lái)，傳感器早已融合到車(chē)輛的整體設(shè)計(jì)和制造中。一輛汽車(chē)現(xiàn)在可以有100個(gè)或更多的傳感器，用于監(jiān)測(cè)和控制某些驅(qū)動(dòng)參數(shù)。電動(dòng)汽車(chē)的公眾接受度和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展很大程度上將依賴(lài)于這些傳感器的超可靠性。在這些傳感器中，MEMS傳感器約占三分之一。

Verified market research預(yù)計(jì)，汽車(chē)MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模在2020年估值為18.9億美元，從2021到2028年以14.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到50.3億美元。節(jié)能環(huán)保技術(shù)是汽車(chē)MEMS傳感器市場(chǎng)收入增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，政府關(guān)于安全、效率和駕駛員輔助的法規(guī)將促進(jìn)市場(chǎng)增長(zhǎng)。歐洲和北美目前是汽車(chē)MEMS傳感器的兩個(gè)最大市場(chǎng)。然而，以中國(guó)和印度為代表的亞太地區(qū)市場(chǎng)的增長(zhǎng)是極其顯著的。

MEMS傳感器被認(rèn)為是汽車(chē)不可缺少的部件，它對(duì)于提升汽車(chē)性能和駕駛體驗(yàn)，有著顯著作用。研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，平均每輛汽車(chē)包含10個(gè)傳感器，而高級(jí)汽車(chē)會(huì)約用20至30只MEMS傳感器。寶馬、奧迪、奔馳車(chē)的高端車(chē)型傳感器普遍超過(guò)40個(gè)，越是高端的汽車(chē)采用的傳感器數(shù)量越多，對(duì)傳感器質(zhì)量要求也愈高。MEMS傳感器可以提升汽車(chē)安全性、靈敏度并降低成本，其核心應(yīng)用包括車(chē)輛的防抱死系統(tǒng)、車(chē)身穩(wěn)定系統(tǒng)、電控懸掛、電動(dòng)剎車(chē)、胎壓監(jiān)控、引擎防抖、車(chē)輛傾角計(jì)量等等。

汽車(chē)MEMS傳感器具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今車(chē)輛中最常見(jiàn)的MEMS傳感器有：慣性傳感器、磁強(qiáng)計(jì)、壓力傳感器、熱傳感器、氣體傳感器、微光學(xué)。慣性傳感器包括加速計(jì)和陀螺儀，可以單獨(dú)也可以組合在一起使用。其中，加速計(jì)用于測(cè)量靜態(tài)(重力)和動(dòng)態(tài)(運(yùn)動(dòng)或振動(dòng))加速度，陀螺儀則負(fù)責(zé)識(shí)別角度的變化。這些傳感器是汽車(chē)行業(yè)的主導(dǎo)類(lèi)型，并用于許多關(guān)鍵應(yīng)用。目前，壓力傳感器、加速度計(jì)、流量傳感器與陀螺儀四種器件合計(jì)占汽車(chē)MEMS系統(tǒng)的99%。

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器是汽車(chē)中應(yīng)用最多的傳感器， 至少18個(gè)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域促進(jìn)壓力傳感器的增長(zhǎng)，包括：輪胎壓力，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的剎車(chē)傳感器，側(cè)面氣囊，與日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的引擎控制，大氣壓力與廢氣再循環(huán)壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度。車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。

MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測(cè)質(zhì)量組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計(jì)還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計(jì)具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點(diǎn)，是MEMS微加速度計(jì)中的主流產(chǎn)品。

MEMS流量傳感器

MEMS流量傳感器是基于傳統(tǒng)的熱膜片風(fēng)力計(jì)原理借助先進(jìn)的薄膜片技術(shù)，將性能穩(wěn)定的薄膜片電阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面縮短了傳感器響應(yīng)時(shí)間，另一方面由于采用了前后橋電路，可以判斷出流體流向，從而進(jìn)一步測(cè)量出回流流量。為了防止溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對(duì)前后橋進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。流量傳感器主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)氣量和燃油噴射量，從而將空燃比控制在最佳值附近，此外流量傳感器還廣泛利用于排氣再循環(huán)、防滑驅(qū)動(dòng)、剎車(chē)防抱死系統(tǒng)以及電控懸架等許多方面。

微陀螺儀

微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)，主要有振動(dòng)式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動(dòng)陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來(lái)感測(cè)角速度。例如：汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀測(cè)量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車(chē)輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道，通常它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們來(lái)看看MEMS傳感器在汽車(chē)電子里的應(yīng)用。

例如在電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) 中，Electric Stability Control 是用于防止車(chē)輛在雨后濕滑的道路或彎曲路段處發(fā)生側(cè)滑的裝置。該裝置使用了Murata Electronics Oy (以下簡(jiǎn)稱(chēng)為MFI) 的加速度傳感器。

通常，僅靠ABS和牽引控制系統(tǒng)無(wú)法滿足車(chē)輛在彎曲路段上的行車(chē)安全要求。該場(chǎng)合下電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 就能夠通過(guò)修正駕駛員操作中的轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度轉(zhuǎn)向，來(lái)控制車(chē)輛使其不偏離道路。該系統(tǒng)通過(guò)使用一個(gè)陀螺儀來(lái)測(cè)量車(chē)輛的偏航角，同時(shí)用一個(gè)低重力加速度傳感器來(lái)測(cè)量橫向加速度。將所得測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)行駛速度和車(chē)輪傾斜角兩項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而調(diào)整車(chē)輛轉(zhuǎn)向以防止發(fā)生側(cè)滑。

加速度傳感器通常會(huì)被獨(dú)立安裝在車(chē)輛重心附近，或作為傳感器組的一部分以貼裝組件的形式被安裝在印制電路板上。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍為±1.5～2.0g; 偏移量與溫度或使用時(shí)間無(wú)關(guān)，穩(wěn)定在100mg以下; 頻帶在0～50Hz范圍內(nèi)。

電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 通常需要以車(chē)輛的橫向?yàn)闄z測(cè)軸，以確保在受到縱向加速度或車(chē)輛減速時(shí)，將影響控制在最小限度。將MFI的加速度傳感器安裝在印制電路板上時(shí)，可選擇兩種安裝方向，即檢測(cè)軸是與安裝面平行還是垂直。若使用的是獨(dú)立型加速度傳感器時(shí)，則需要根據(jù)安裝位置選用相應(yīng)的托架。