消費(fèi)者汽車安全需求帶動(dòng)車用傳感器發(fā)展

汽車安全性是設(shè)計(jì)師面臨的一大挑戰(zhàn)，尤其是在今天，消費(fèi)者對(duì)安全的定義不僅是車輛本身的安全可靠性，還體現(xiàn)在了那些能通過電子控制技術(shù)提供更多安全保障的輔助駕駛系統(tǒng)，這種需求的擴(kuò)張帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)一些傳感IC的需求逐漸膨脹。

往日一些曾經(jīng)作為豪華車高端配置的術(shù)語名詞已經(jīng)逐漸普及到中級(jí)車市場(chǎng)，如電子穩(wěn)定控制(ESC)、電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)、剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、加速防滑控制系統(tǒng)(ASR)、輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)、雷達(dá)測(cè)距等等，而在這些術(shù)語的背后，則隱藏著花樣繁多的傳感器技術(shù)。

慣性傳感器

慣性傳感器包括加速度傳感器及陀螺儀等，主要用于安全氣囊監(jiān)測(cè)、翻轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)、ESC、GPS導(dǎo)航、防翻滾系統(tǒng)等。而MEMS技術(shù)的發(fā)展，更是使得慣性傳感器更有效的用于包括汽車電子在內(nèi)的多種電子產(chǎn)品中。例如，ESC系統(tǒng)就是MEMS慣性傳感器市場(chǎng)最主要的增長推動(dòng)力。在歐美一些國家，ESC系統(tǒng)已經(jīng)成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)部件，并且自2012年式開始，美國和歐盟要求銷售的乘用車必須配備ESC。這一強(qiáng)制措施必將增加汽車市場(chǎng)對(duì)加速計(jì)和陀螺儀的需求量。

時(shí)下，在一輛功能齊全的汽車中會(huì)用到很多慣性傳感器。在某些情況下，會(huì)用到多達(dá)15個(gè)軸的慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀)。由于只有6個(gè)可能的機(jī)械自由度，顯然這些傳感器中有很多個(gè)是多余的。“造成這種情況的原因是，長久以來客戶的每個(gè)系統(tǒng)都是從不同供應(yīng)商那里購買的。但今天，慣性傳感器組的概念將它們的信息發(fā)送給任何有需要的系統(tǒng)，成為許多汽車OEM的目標(biāo)。”ADI公司大中華區(qū)汽車電子商務(wù)經(jīng)理李防震表示。 除了當(dāng)今許多汽車中使用的正面和側(cè)面碰撞安全氣囊，側(cè)翻檢測(cè)系統(tǒng)目前也在貨車、皮卡以及SUV中普及開來，因?yàn)檫@些車輛發(fā)生側(cè)翻的可能性更高。“ADI公司的iMEMS?加速度計(jì)和陀螺儀可用于這些應(yīng)用。在側(cè)翻事件中，部署側(cè)翻安全氣囊能保護(hù)乘客安全。側(cè)翻檢測(cè)系統(tǒng)通過讀取車輛的翻滾角度和翻滾速度來確定汽車是否處于側(cè)翻的過程。如果確定發(fā)生側(cè)翻，側(cè)翻安全氣囊將彈出以便保護(hù)乘客。”李防震指出。

對(duì)于使用加速度計(jì)的側(cè)翻檢測(cè)系統(tǒng)來說，最重要的性能參數(shù)是零g偏置和靈敏度穩(wěn)定性。一般來說，假設(shè)可得到的最低減速度力(如在濕滑路面上)約為100mg(0.98m/s2)。因此，在汽車溫度范圍內(nèi)零g偏移和靈敏度偏差的組合值一定不能超過100mg。李防震介紹道，ADI公司的ADXLiMEMS?加速計(jì)在汽車溫度變化范圍內(nèi)具有16mg的零g偏移穩(wěn)定性和0.3%的靈敏度漂移，是這類應(yīng)用的理想之選。

高精度傾角測(cè)量功能是高度自動(dòng)調(diào)節(jié)大燈、電子駐車制動(dòng)器和坡路起步輔助(HSA)系統(tǒng)不可或缺的功能。意法半導(dǎo)體提供的AIS226DS是一款雙軸共面加速器，測(cè)量精度高于兩個(gè)獨(dú)立傳感器解決方案。該器件的最大量程為±6g，能可靠地分辨小于0.02度的細(xì)微傾角。此外，該公司前不久還推出了全系列單軸(偏航)和雙軸(俯仰和滾轉(zhuǎn)，俯仰和偏航)MEMS陀螺儀，提供的量程范圍從30dps一直到6,000dps。

高深寬比制造工藝的發(fā)展提升了MEMS傳感器的性能。飛思卡爾的MMA6222EG、MMA6255EG和MMA621010EG慣性傳感器就基于高深寬比MEMS技術(shù)，該加速計(jì)的先進(jìn)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)增強(qiáng)了傳感器偏移性能和超阻尼反應(yīng)，從而有助于提高系統(tǒng)的可靠性以及對(duì)高頻率、高振幅寄生震蕩的抵抗力。

這些器件能夠幫助識(shí)別可能引發(fā)虛假彈出的安全氣囊系統(tǒng)狀況，諸如“砰”地一聲關(guān)上車門，或者在汽車組裝時(shí)的大幅震動(dòng)。在汽車四周，安全氣囊分布式傳感系統(tǒng)包含兩個(gè)ECU主慣性傳感器和最多7個(gè)衛(wèi)星傳感器模塊，感應(yīng)前部以及側(cè)向撞擊。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合也是該應(yīng)用領(lǐng)域的一大特色，比如擅長MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的ADI就與擁有完整安全氣囊系統(tǒng)專用元器件的英飛凌聯(lián)手打造汽車安全氣囊系統(tǒng)，從而加快高級(jí)安全氣囊系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，并向汽車安全系統(tǒng)供應(yīng)商和OEM提供完整的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)可靠、極具成本效益和簡(jiǎn)單易用的高級(jí)安全氣囊解決方案。

隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型化、多功能化、集成化、且智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器，成為汽車傳感器的主流。此外，“因?yàn)镸EMS傳感器在汽車應(yīng)用中承擔(dān)著"關(guān)鍵任務(wù)"，汽車客戶有一些獨(dú)特或特殊的需求，其中包括：非常嚴(yán)格的質(zhì)量控制、環(huán)境友好、高可靠性(用戶比較喜歡采用一些老的技術(shù)，因?yàn)檫@些老的技術(shù)久經(jīng)驗(yàn)證)、準(zhǔn)時(shí)交貨。”李防震透露。

車用傳感器

TPMS是中國市場(chǎng)炒的比較火的一個(gè)概念，但迄今為止全球只有美國是強(qiáng)制實(shí)施TPMS法規(guī)的國家。自2007年9月后所有在美國銷售的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過4536kg的四輪乘用車和商用車都必須安裝TPMS。雖然TPMS在中國的呼聲已經(jīng)很久了，可是標(biāo)準(zhǔn)卻一推再推，目前的應(yīng)用仍僅限某些高端車型，不過這些，都沒有阻止半導(dǎo)體廠商在該領(lǐng)域的巨大投入。

業(yè)界一致認(rèn)為，未來TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展。隨著TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)IC高集成度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了將所需測(cè)試各物理量的MEMS傳感器與MCU、RF三合一的新一代TPMS傳感器模塊。例如飛思卡爾的TPMS解決方案MPXY8300，就是由電容性壓力傳感元件、溫度傳感組件、MCU、RF、加速度傳感器和具有喚醒功能的接口電路組成，所有這些集成在一塊芯片上，并采用了飛思卡爾的超小型封裝(SSoP)。超小的尺寸和增強(qiáng)型介質(zhì)保護(hù)功能使得該方案特別適合在氣門嘴或輪胎上安裝。

隨著分層控制理念的不斷發(fā)展，對(duì)智能化的負(fù)載和傳感器的需求會(huì)日益增多，而SoC類型的產(chǎn)品因其成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，正是適應(yīng)這一發(fā)展方向的解決方案。英飛凌科技(中國)有限公司汽車電子業(yè)務(wù)部高級(jí)市場(chǎng)工程師李世銘表示，“英飛凌的SP37新一代胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)單芯片解決方案就順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，將控制器，傳感單元、RF發(fā)射器、低頻接收器和電源模塊集成在一顆芯片里，達(dá)到汽車級(jí)芯片的要求。”

轉(zhuǎn)向精度對(duì)于是汽車設(shè)計(jì)一個(gè)重要的考量，英飛凌成功地將巨磁電阻(GMR)效應(yīng)融入半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝。“在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，英飛凌基于集成型巨磁阻技術(shù)(iGMR)的傳感器芯片組和基于線性霍耳技術(shù)的傳感器芯片可以完美實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度和力矩的感知。”李世銘表示。英飛凌的傳感器可異常精確地測(cè)量0°到360°的轉(zhuǎn)向角度，包含兩個(gè)GMR全橋、一個(gè)溫度傳感器、兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)個(gè)穩(wěn)壓器、濾波器以及在運(yùn)行過程中能連續(xù)監(jiān)控這些組件的內(nèi)部機(jī)制。傳感器芯片TLE5010具備兩個(gè)數(shù)字角度分量正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。通過SPI接口連接傳感器的8位微控制器利用這些分量計(jì)算實(shí)際的角度信號(hào)。

透射式傳感器也被稱為斷續(xù)式傳感器，內(nèi)含一個(gè)面對(duì)面安裝的紅外發(fā)射器和檢波器，二者之間有一個(gè)小縫隙，當(dāng)有類似編碼輪這樣的物體通過發(fā)射器和檢波器之間的縫隙時(shí)，就會(huì)將光束遮擋，傳感器就能探測(cè)到是否有物體存在。Vishay的表面貼裝透射式(斷續(xù)式)光電傳感器TCPT1300X01和TCUT1300X01，達(dá)到了+145℃的結(jié)溫等級(jí)，-40℃～+125℃的工作溫度范圍和潮濕敏感度等級(jí)1(MSL1)。

雷達(dá)技術(shù)是設(shè)計(jì)創(chuàng)新的駕駛輔助系統(tǒng)、避免交通事故發(fā)生的關(guān)鍵所在。汽車的雷達(dá)系統(tǒng)可發(fā)出射頻電磁波，這些電磁波遇到前面的車輛或其它物體可反射回來，雷達(dá)芯片負(fù)責(zé)發(fā)送和接收這些射頻信號(hào)，并通過后臺(tái)處理。后臺(tái)數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)果可確定車輛與其它車輛的距離以及其它車輛的行駛速度。因此，當(dāng)預(yù)測(cè)到要發(fā)生車輛相撞事故時(shí)，座椅頭枕和安全帶就會(huì)提前準(zhǔn)備就緒，幫助降低事故造成的影響。與此同時(shí)，相同的信號(hào)也會(huì)發(fā)送至制動(dòng)系統(tǒng)或安全氣囊系統(tǒng)。英飛凌科技的雷達(dá)芯片RXN7740是適用于76-77GHz頻率范圍的高度集成前端芯片，包括振蕩器功能塊、功率放大器和4個(gè)適用于多個(gè)天線的混頻器。與目前獨(dú)立實(shí)現(xiàn)這些功能的雷達(dá)系統(tǒng)相比，可使廠商將雷達(dá)系統(tǒng)尺寸縮小四分之一，把無線射頻模塊的系統(tǒng)成本降低20%以上。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)

曾有業(yè)界專家預(yù)測(cè)，“第三次主要的機(jī)器革命與傳感器有關(guān)”。的確如此，傳感器的應(yīng)用，革新了人們的應(yīng)用體驗(yàn)。雖然受經(jīng)濟(jì)下滑影響，汽車MEMS市場(chǎng)連續(xù)兩年下降，但汽車行業(yè)當(dāng)前的市場(chǎng)表現(xiàn)，使得眾多分析機(jī)構(gòu)紛紛認(rèn)同：2011年汽車MEMS市場(chǎng)將重新恢復(fù)兩位數(shù)的良性成長。

更好的消息是，中國政府曾于2009年03月20日出臺(tái)《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》細(xì)則，提及1000萬輛產(chǎn)銷目標(biāo)。而跟據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，今年三季度國產(chǎn)汽車產(chǎn)銷量比去年同期大幅增加，僅前三季度國產(chǎn)汽車產(chǎn)銷雙超960萬輛。這些都使得業(yè)界對(duì)車用傳感器市場(chǎng)持積極態(tài)度。