消費者汽車安全需求帶動車用傳感器發(fā)展

汽車安全性是設計師面臨的一大挑戰(zhàn)，尤其是在今天，消費者對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提供更多安全保障的輔助駕駛系統(tǒng)，這種需求的擴張帶動了市場對一些傳感IC的需求逐漸膨脹。
往日一些曾經作為豪華車高端配置的術語名詞已經逐漸普及到中級車市場，如電子穩(wěn)定控制(ESC)、電子助力轉向系統(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)、雷達測距等等，而在這些術語的背后，則隱藏著花樣繁多的傳感器技術。
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、翻轉監(jiān)測、ESC、GPS導航、防翻滾系統(tǒng)等。而MEMS技術的發(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的多種電子產品中。例如，ESC系統(tǒng)就是MEMS慣性傳感器市場最主要的增長推動力。在歐美一些國家，ESC系統(tǒng)已經成為車輛的標準部件，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。這一強制措施必將增加汽車市場對加速計和陀螺儀的需求量。
時下，在一輛功能齊全的汽車中會用到很多慣性傳感器。在某些情況下，會用到多達15個軸的慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)。由于只有6個可能的機械自由度，顯然這些傳感器中有很多個是多余的?！霸斐蛇@種情況的原因是，長久以來客戶的每個系統(tǒng)都是從不同供應商那里購買的。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。”ADI公司大中華區(qū)汽車電子商務經理李防震表示。 除了當今許多汽車中使用的正面和側面碰撞安全氣囊，側翻檢測系統(tǒng)目前也在貨車、皮卡以及SUV中普及開來，因為這些車輛發(fā)生側翻的可能性更高?！癆DI公司的iMEMS?加速度計和陀螺儀可用于這些應用。在側翻事件中，部署側翻安全氣囊能保護乘客安全。側翻檢測系統(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翻的過程。如果確定發(fā)生側翻，側翻安全氣囊將彈出以便保護乘客?！崩罘勒鹬赋觥?BR>對于使用加速度計的側翻檢測系統(tǒng)來說，最重要的性能參數是零g偏置和靈敏度穩(wěn)定性。一般來說，假設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?加速計在汽車溫度變化范圍內具有16mg的零g偏移穩(wěn)定性和0.3%的靈敏度漂移，是這類應用的理想之選。
高精度傾角測量功能是高度自動調節(jié)大燈、電子駐車制動器和坡路起步輔助(HSA)系統(tǒng)不可或缺的功能。意法半導體提供的AIS226DS是一款雙軸共面加速器，測量精度高于兩個獨立傳感器解決方案。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，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，該加速計的先進轉換器設計增強了傳感器偏移性能和超阻尼反應，從而有助于提高系統(tǒng)的可靠性以及對高頻率、高振幅寄生震蕩的抵抗力。
這些器件能夠幫助識別可能引發(fā)虛假彈出的安全氣囊系統(tǒng)狀況，諸如“砰”地一聲關上車門，或者在汽車組裝時的大幅震動。在汽車四周，安全氣囊分布式傳感系統(tǒng)包含兩個ECU主慣性傳感器和最多7個衛(wèi)星傳感器模塊，感應前部以及側向撞擊。
強強聯(lián)合也是該應用領域的一大特色，比如擅長MEMS加速度計和陀螺儀的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)，從而加快高級安全氣囊系統(tǒng)的開發(fā)進度，并向汽車安全系統(tǒng)供應商和OEM提供完整的設計平臺，以實現(xiàn)可靠、極具成本效益和簡單易用的高級安全氣囊解決方案。
隨著產業(yè)發(fā)展，以MEMS技術為基礎的微型化、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，“因為MEMS傳感器在汽車應用中承擔著"關鍵任務"，汽車客戶有一些獨特或特殊的需求，其中包括：非常嚴格的質量控制、環(huán)境友好、高可靠性(用戶比較喜歡采用一些老的技術，因為這些老的技術久經驗證)、準時交貨?！崩罘勒鹜嘎?。
車用傳感器
TPMS是中國市場炒的比較火的一個概念，但迄今為止全球只有美國是強制實施TPMS法規(guī)的國家。自2007年9月后所有在美國銷售的最大設計總質量不超過4536kg的四輪乘用車和商用車都必須安裝TPMS。雖然TPMS在中國的呼聲已經很久了，可是標準卻一推再推，目前的應用仍僅限某些高端車型，不過這些，都沒有阻止半導體廠商在該領域的巨大投入。
業(yè)界一致認為，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產品市場對IC高集成度和高可靠性的要求，目前已經有了將所需測試各物理量的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)。超小的尺寸和增強型介質保護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，對智能化的負載和傳感器的需求會日益增多，而SoC類型的產品因其成本低、體積小的優(yōu)點，正是適應這一發(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)務部高級市場工程師李世銘表示，“英飛凌的SP37新一代胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)單芯片解決方案就順應了這一發(fā)展趨勢，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，達到汽車級芯片的要求?！?BR>轉向精度對于是汽車設計一個重要的考量，英飛凌成功地將巨磁電阻(GMR)效應融入半導體標準CMOS制造工藝?！霸陔妱又D向系統(tǒng)中，英飛凌基于集成型巨磁阻技術(iGMR)的傳感器芯片組和基于線性霍耳技術的傳感器芯片可以完美實現(xiàn)轉向角度和力矩的感知?！崩钍楞懕硎?。英飛凌的傳感器可異常精確地測量0°到360°的轉向角度，包含兩個GMR全橋、一個溫度傳感器、兩個模數轉換器、數個穩(wěn)壓器、濾波器以及在運行過程中能連續(xù)監(jiān)控這些組件的內部機制。傳感器芯片TLE5010具備兩個數字角度分量正弦函數和余弦函數。通過SPI接口連接傳感器的8位[!--empirenews.page--]微控制器利用這些分量計算實際的角度信號。
透射式傳感器也被稱為斷續(xù)式傳感器，內含一個面對面安裝的紅外發(fā)射器和檢波器，二者之間有一個小縫隙，當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，就會將光束遮擋，傳感器就能探測到是否有物體存在。Vishay的表面貼裝透射式(斷續(xù)式)光電傳感器TCPT1300X01和TCUT1300X01，達到了145℃的結溫等級，-40℃～125℃的工作溫度范圍和潮濕敏感度等級1(MSL1)。
雷達技術是設計創(chuàng)新的駕駛輔助系統(tǒng)、避免交通事故發(fā)生的關鍵所在。汽車的雷達系統(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，雷達芯片負責發(fā)送和接收這些射頻信號，并通過后臺處理。后臺數據評估結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，當預測到要發(fā)生車輛相撞事故時，座椅頭枕和安全帶就會提前準備就緒，幫助降低事故造成的影響。與此同時，相同的信號也會發(fā)送至制動系統(tǒng)或安全氣囊系統(tǒng)。英飛凌科技的雷達芯片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個適用于多個天線的混頻器。與目前獨立實現(xiàn)這些功能的雷達系統(tǒng)相比，可使廠商將雷達系統(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。
市場預測
曾有業(yè)界專家預測，“第三次主要的機器革命與傳感器有關”。的確如此，傳感器的應用，革新了人們的應用體驗。雖然受經濟下滑影響，汽車MEMS市場連續(xù)兩年下降，但汽車行業(yè)當前的市場表現(xiàn)，使得眾多分析機構紛紛認同：2011年汽車MEMS市場將重新恢復兩位數的良性成長。
更好的消息是，中國政府曾于2009年03月20日出臺《汽車產業(yè)調整和振興規(guī)劃》細則，提及1000萬輛產銷目標。而跟據中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，今年三季度國產汽車產銷量比去年同期大幅增加，僅前三季度國產汽車產銷雙超960萬輛。這些都使得業(yè)界對車用傳感器市場持積極態(tài)度。