ＭＥＭＳ傳感器開創(chuàng)汽車主動安全系統(tǒng)的新時代

摘要：本文試圖讓從事汽車電子系統(tǒng)設計的工程經理以及工程師概要了解MEMS傳感器在汽車安全系統(tǒng)設計創(chuàng)新中的應用，全球主要MEMS傳感器系統(tǒng)制造商和半導體公司，從而了解產業(yè)發(fā)展的現狀和趨勢。

關鍵詞：汽車安全；傳感器；MEMS；主動安全

在撰寫本文之時，正是全球半導體行業(yè)發(fā)展陷入低迷之時，新一輪的產業(yè)整合在所難免。然而，說起汽車安全這個話題，也許給半導體行業(yè)帶來的永遠是春天的感覺吧。根據FrostSullivan的分析，從全球范圍看，汽車安全技術呈現下列趨勢：

全球主要市場對于主動及被動安全系統(tǒng)的需求將以6.4％的年復合增長率成長，預計到2012年將達到262億美元的市場規(guī)模；

日本是當今最大的主動安全系統(tǒng)的市場，預計歐洲將在2010年后趕上；

預期到2010年，汽車穩(wěn)定系統(tǒng)將繼續(xù)占據主動安全系統(tǒng)市場的大頭，安全警告與信息系統(tǒng)市場有望取得長足發(fā)展；

汽車被動安全市場將停滯，然而，在地區(qū)市場中各種新興技術有望獲得發(fā)展機會；

在汽車安全領域，歐洲和日本以技術推動法規(guī)的制定，北美以法規(guī)推動技術的發(fā)展；

下一代汽車安全系統(tǒng)可能采用傳感器熔接技術來增強道路安全性；安全以及駕駛員輔助系統(tǒng)將逐漸向中級車以及SUV滲透；

FrostSullivan公司分析師PrashanthVenkatesh表示，對增強汽車安全性能的需求將推動MEMS傳感器市場的持續(xù)增長。本文試圖讓從事汽車電子系統(tǒng)設計的工程經理以及工程師概要了解MEMS傳感器在汽車安全系統(tǒng)設計創(chuàng)新中的應用，全球主要MEMS傳感器系統(tǒng)制造商和半導體公司，從而了解產業(yè)發(fā)展的現狀和趨勢。

哪些汽車安全系統(tǒng)要使用MEMS傳感器?

目前，根據NEXUS的市場研究，典型中級車包含50多個傳感器，而豪華車裝備100個以上的傳感器，其中，大約1/3的傳感器采用的是MEMS傳感器。圖1給出了NEXUS對汽車MEMS傳感器市場的調查結果。

MEMS傳感器在汽車安全系統(tǒng)中的應用包括下列主要的系統(tǒng)：

智能氣囊系統(tǒng)

當車輛發(fā)生碰撞時，乘員的安全維系于氣囊的及時展開，它必須在恰到好處的時間點張開，并朝著乘員的方向提供合適的作用力。

盡管對于乘員及其運動的監(jiān)測可以由位于座椅上的MEMS加速計系統(tǒng)來監(jiān)測，但是，在車輛中的安全氣囊系統(tǒng)可以被安裝在不同的地方，因此，要判斷多個信息，如：識別碰撞的類型、方向、重力影響等等，這樣才能保證氣囊系統(tǒng)做出明確和專注的反應。

利用MEMS加速計的高集成能力以及精度，可以定義更為復雜的氣囊系統(tǒng)架構，從而替代多個機電碰撞傳感器系統(tǒng)，為汽車提供先進的乘員安全條件。

防盜系統(tǒng)

在汽車防盜系統(tǒng)中，也可以采用MEMS加速計。在這種情形下，加速計被用做傾斜計，感測汽車或摩托車相對于地面的傾斜度。當盜賊用拖車盜竊車輛時，加速計將檢測到傾斜度的變化，從而讓聲音報警系統(tǒng)工作。

一般來說，3軸加速計的安裝很方便，因此，防盜系統(tǒng)的MEMS傳感器可以被安裝在車輛中的任何位置。

頭燈光線定向系統(tǒng)

在黑暗的條件下行車，汽車行駛的安全性依賴于汽車頭燈光線的定向。

頭燈光線要對準我們行駛的路面可能依賴于許多不同的外部條件，這些條件由路況以及車況兩方面構成，路況信息包括是否瀝青路面、轉彎、上下坡、駕駛技能和經驗等，而車況信息包括胎壓、懸架、乘員數量、重量以及車輛平衡度等等。

駕駛員不必針對上述情況持續(xù)地調節(jié)頭等光線的方向，這均是頭等光線定向系統(tǒng)要完成的功能。

利用MEMS傳感器，如加速計和陀螺儀，頭等光線定向系統(tǒng)得以實現，從而開啟汽車安全的新時代，它可以增強對路面和障礙物的照射，確保更為安全的駕駛狀況。

乘員檢測系統(tǒng)

在出現車輛與障礙物碰撞時，為了安全地拯救乘員的生命，要在座椅周圍分布完整的氣囊傳感器。

因為瞬間碰撞可能是無法預知的，汽車電子系統(tǒng)應該確定誰以及是什么坐在乘員座位上。根據車內每一個乘員及其位置，乘員檢測系統(tǒng)不僅僅要確定張開哪只氣囊，而且更為重要的是確定氣囊展開的力度，MEMS加速計增強了這種功能，它能夠快速檢測因碰撞力導致乘員被從座位上彈起來的情況。

主動安全系統(tǒng)

MEMS加速計以及陀螺儀是兩種完全能夠滿足汽車主動安全系統(tǒng)要求的傳感器。

一般來說，涉及車身控制的汽車主動安全系統(tǒng)包括；汽車翻滾控制、汽車防滑穩(wěn)定性控制、防抱死系統(tǒng)、停車制動、胎壓監(jiān)測、懸架對車輛以及路況的自適應調節(jié)等系統(tǒng)。

MEMS傳感器具有高精密度和準確性，占位空間非常小，能夠與其它系統(tǒng)高度集成為一體，從而可以瞬間檢測到那些功能系統(tǒng)發(fā)出的任何信息。

由于MEMS傳感器在汽車安全系統(tǒng)創(chuàng)新中有著廣泛的應用，眾多系統(tǒng)廠家以及半導體公司躋身其中。據Yole Development統(tǒng)計，2006年十大MEMS器件制造商分別是：TI、惠普、博世、利盟、精工一愛普生、ST、佳能、飛思卡爾、ADI以及電裝公司。可見，其中一半制造商與汽車有關。

汽車安全系統(tǒng)所采用的傳感器正呈現由孤立的傳感器朝著一體化模塊的方向發(fā)展。相比之下，在半導體行業(yè)為摩爾定律是否仍然有效而爭論不休之時，MEMS技術卻推動著超越摩爾定律的變革，實現了更高水平的系統(tǒng)集成。目前，為汽車安全系統(tǒng)提供MEMS加速度以及陀螺儀傳感器的公司主要包括：ST、Memsic、ADI、飛思卡爾、Bosch Sensortec以及VTI。

據Yole Development消息，全球范圍內目前已經形成了以ST、IMT、索尼、APM、Micralyne、Dalsa半導體、ELMOS-SMI、Memstech、Colibrys、Silex、Memscap以及Tronic旗下Microsystems公司等構成的MEMS器件代工群體。因此，隨著MEMS器件生態(tài)系統(tǒng)的成熟，汽車安全系統(tǒng)有望隨著MEMS傳感器技術的發(fā)展而迎來巨大機遇。

汽車安全系統(tǒng)創(chuàng)新實例及傳感器技術趨勢

在電控車身系統(tǒng)、動力總成系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)以及車載信息系統(tǒng)等系統(tǒng)的支撐下，整車正向著更安全、更清潔和更經濟的方向發(fā)展。所有這些系統(tǒng)均高度依賴于各種傳感器提供的輸入，其中，大多數傳感器的制造均采用了MEMS技術。在MEMS領域的技術進步使人們能夠極大地縮小這些傳感器的尺寸，因此，除了性價比更高之外，基于MEMS傳感器的模塊還可以集成越來越多的功能，如自測以及精確的檢驗程序等等。

MEMS加速度傳感器在汽車安全系統(tǒng)中有著廣泛的應用，舉例來說，圖2所示為汽車中的高g值傳感器的應用示意圖。

在防翻滾安全系統(tǒng)中，要采用一種基于MEMS技術的慣性傳感器，如圖3所示。為了監(jiān)測翻滾這種狀態(tài)，把陀螺儀輸出的傳感器信號與低g值加速度傳感器的輸出信號結合起來就是至關重要的。通過處理兩個傳感器給出的信號，系統(tǒng)的算法確定車的Z軸以及垂直線之間的夾角，以及每一時刻車輛的角速度3x。因此，翻滾感測算法及時確定準確的時間點和位置，從而爆開特定的氣囊或主動收緊綁在乘員身上的安全帶。

此外，電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng)也是MEMS傳感器的一個重要應用領域，它能夠在所有的駕駛情況下提高車輛的行駛穩(wěn)定性。通過傳感器測量車輛的偏航率，并把它與其它參數一如轉向角和速度一進行比較，可以檢測過度轉向或轉向不夠這樣的行駛狀況。如果行駛過程中需要ESP發(fā)揮作用，那么，該系統(tǒng)會自動地分別制動車輪。因此，傳感器提供的信號是ESP算法執(zhí)行的根本基礎，是提高行車穩(wěn)定性的關鍵。

MEMS偏航傳感器一般由容性硅振蕩器構成，其周圍是若干懸浮的網狀材料。當受到垂直于振動軸的外部旋轉運動的作用時，作用力使振動面出現偏離，從而導致電容的變化。

目前，汽車安全系統(tǒng)應用中的偏航傳感器的發(fā)展趨勢是具有高偏移量穩(wěn)定性、振動魯棒性以及全數字信號處理功能。這使之比模擬傳感器更為耐用。永久性的主動內部故障檢測功能，使故障識別以及主動自測功能成為可能，因此，有助于增強可靠性。此外，偏航傳感器與加速度傳感器結合在一起，構成一體化的傳感器平臺也是一大發(fā)展趨勢。例如，博世公司的DRS-MM3傳感器串。

根據整車系統(tǒng)設計的需要，傳感器串由于采用了靈活的結構，能夠在不同的車輛方向上監(jiān)測偏航率以及加速度，因此，適合于高度動態(tài)以及高度精密的系統(tǒng)，如電子穩(wěn)定程序(ESP)、翻滾減輕系統(tǒng)以及電子主動操縱系統(tǒng)等等。

結語

在汽車主動安全系統(tǒng)中，新型的傳感器系統(tǒng)有望在未來幾年出現，其中包括：側碰氣囊的壓力傳感器、用于車與車之間感測的RF MEMS傳感器、以及跟CCD成像處理配合使用MEMS光學傳感器。下一代汽車安全系統(tǒng)傳感器有望是一種一體化的傳感器系統(tǒng)，它采用公共信號：來操作多個系統(tǒng)，例如，一個加速度傳感器既為安全氣囊提供信號，也為車身控制系統(tǒng)提供信號。這種新型的傳感器系統(tǒng)將高度依賴于先進的軟件系統(tǒng)來實現，從而進一步提高汽車的安全性。

另一方面，據報道，汽車傳感器的50％的成本花在了校準和測試上，因此，迫切需要對傳感器的設計進行創(chuàng)新。半導體公司通過與汽車行業(yè)的合作，有望在系統(tǒng)層面加速新型傳感器系統(tǒng)的開發(fā)和實現，大幅降低傳感器的成本，從而為汽車安全系統(tǒng)MEMS傳感器的普及應用開辟新的發(fā)展機會，值得整個電子系統(tǒng)設計、測試、制造以及半導體行業(yè)的關注。而中國目前從事MEMS器件制造的企業(yè)相對比較薄弱，因此，發(fā)展MES傳感器產業(yè)的空間巨大。