應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的MEMS傳感器有哪些？

多年來，傳感器早已融合到車輛的整體設(shè)計和制造中。一輛汽車現(xiàn)在可以有100個或更多的傳感器，用于監(jiān)測和控制某些驅(qū)動參數(shù)。電動汽車的公眾接受度和自動駕駛汽車的未來發(fā)展很大程度上將依賴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，汽車MEMS傳感器市場規(guī)模在2020年估值為18.9億美元，從2021到2028年以14.5%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長，預(yù)計到2028年將達到50.3億美元。節(jié)能環(huán)保技術(shù)是汽車MEMS傳感器市場收入增長的關(guān)鍵因素，政府關(guān)于安全、效率和駕駛員輔助的法規(guī)將促進市場增長。歐洲和北美目前是汽車MEMS傳感器的兩個最大市場。然而，以中國和印度為代表的亞太地區(qū)市場的增長是極其顯著的。

MEMS傳感器被認為是汽車不可缺少的部件，它對于提升汽車性能和駕駛體驗，有著顯著作用。研究機構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，平均每輛汽車包含10個傳感器，而高級汽車會約用20至30只MEMS傳感器。寶馬、奧迪、奔馳車的高端車型傳感器普遍超過40個，越是高端的汽車采用的傳感器數(shù)量越多，對傳感器質(zhì)量要求也愈高。MEMS傳感器可以提升汽車安全性、靈敏度并降低成本，其核心應(yīng)用包括車輛的防抱死系統(tǒng)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、電控懸掛、電動剎車、胎壓監(jiān)控、引擎防抖、車輛傾角計量等等。

汽車MEMS傳感器具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點。當今車輛中最常見的MEMS傳感器有：慣性傳感器、磁強計、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和陀螺儀，可以單獨也可以組合在一起使用。其中，加速計用于測量靜態(tài)(重力)和動態(tài)(運動或振動)加速度，陀螺儀則負責識別角度的變化。這些傳感器是汽車行業(yè)的主導(dǎo)類型，并用于許多關(guān)鍵應(yīng)用。目前，壓力傳感器、加速度計、流量傳感器與陀螺儀四種器件合計占汽車MEMS系統(tǒng)的99%。

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器是汽車中應(yīng)用最多的傳感器， 至少18個汽車應(yīng)用領(lǐng)域促進壓力傳感器的增長，包括：輪胎壓力，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的剎車傳感器，側(cè)面氣囊，與日益嚴格的排放標準相關(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，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。

MEMS加速度計

MEMS加速度計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)和檢測質(zhì)量組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(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加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產(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)力計原理借助先進的薄膜片技術(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，從而進一步測量出回流流量。為了防止溫度變化對測量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對前后橋進行了溫度補償。流量傳感器主要用于檢測發(fā)動機的空氣進氣量和燃油噴射量，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、剎車防抱死系統(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，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。例如：汽車在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道，通常它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們來看看MEMS傳感器在汽車電子里的應(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 (以下簡稱為MFI) 的加速度傳感器。

通常，僅靠ABS和牽引控制系統(tǒng)無法滿足車輛在彎曲路段上的行車安全要求。該場合下電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 就能夠通過修正駕駛員操作中的轉(zhuǎn)向不足或過度轉(zhuǎn)向，來控制車輛使其不偏離道路。該系統(tǒng)通過使用一個陀螺儀來測量車輛的偏航角，同時用一個低重力加速度傳感器來測量橫向加速度。將所得測量數(shù)據(jù)與通過行駛速度和車輪傾斜角兩項數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果進行比對，從而調(diào)整車輛轉(zhuǎn)向以防止發(fā)生側(cè)滑。

加速度傳感器通常會被獨立安裝在車輛重心附近，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。標準測量范圍為±1.5～2.0g; 偏移量與溫度或使用時間無關(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) 通常需要以車輛的橫向為檢測軸，以確保在受到縱向加速度或車輛減速時，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，可選擇兩種安裝方向，即檢測軸是與安裝面平行還是垂直。若使用的是獨立型加速度傳感器時，則需要根據(jù)安裝位置選用相應(yīng)的托架。