應用于汽車領(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%的復合年增長率(CAGR)增長,預計到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。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)的主導類型,并用于許多關(guān)鍵應用。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用最多的傳感器, 至少18個汽車應用領(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)形成四只應變電阻,再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路,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)安裝位置選用相應的托架。