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MEMS感測器在汽車業的創新應用
汽車感測市場需求增溫

【作者: Vishal GOYAL,Marco FERRARESI】   2013年11月26日 星期二

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汽車電子是全球半導體市場中最受追捧的應用市場之一,汽車技術創新是影響汽車差異化和消費者購車的最重要因素。微機電系統(MEMS)也因此成為汽車市場成長最快的半導體晶片之一,其中,加速度計、陀螺儀和壓力感測器占百分比最大。



圖一 : 典型的MEMS 產品是由兩個IC組成的SIP元件,其中第一個IC檢測目標參數,並將其轉換成等效電容,而第二個IC則將等效電容轉換成電壓或I2C數位訊號。(圖片來源:ST)
圖一 : 典型的MEMS 產品是由兩個IC組成的SIP元件,其中第一個IC檢測目標參數,並將其轉換成等效電容,而第二個IC則將等效電容轉換成電壓或I2C數位訊號。(圖片來源:ST)

MEMS在汽車市場的新應用

相較於IC技術只利用矽的電性質,MEMS則利用矽的電和機械兩種性質。MEMS的核心結構不是閘極-源極,而是完全由矽製成的微型機械結構。這些結構包括能夠移動的質塊、彈簧、腔室、阻尼器等。


MEMS已經發展出應用廣泛的動作、加速度、傾斜度和振動感測器,可以偵測加速度、磁場和壓力。其中MEMS加速度計可偵測沿X軸、Y軸和Z軸的線性加速度;磁力計可偵測X軸、Y軸和Z軸的地球磁場強度;陀螺儀可偵測沿三個正交軸的角速度,完成360°的角速度偵測,在手機、遊戲機、個人導航系統等可攜式裝置內用於高精準度3D手勢和動作識別。此外,將加速度計、磁力計和陀螺儀整合在一起,可以組成慣性測量單元,追蹤並提供人、車輛等物體的動作類型、速率和方向等資訊。在汽車市場的創新應用分析如下:


1. 精確及輔助定位功能

航位推算(Dead Reckoning, DR)是車輛追蹤和遠端資訊處理系統的一個重要功能。目前,定位系統使用GPS衛星訊號追蹤汽車,但是某些地區無法接到GPS訊號,如在室內、隧道、地下通道、高樓林立的街道等衛星訊號不好的地區,MEMS感測器可以保持汽車航位資訊的精確度。


動作MEMS感測器可監測汽車移動、行駛距離、方向和海拔高度。精確的陀螺儀測量資料還可提高地圖與GPS定位的匹配度。精確的定位功能可顯示使用者在數位地圖或公路網上的位置,以便分析交通流量分析和確定行駛方向。我們即運用TESEO晶片和創新的3軸慣性感測器以及航位推算演算法開發出一個全功能的精確定位參考平臺。


雖然當前單軸偏航陀螺儀依然在儀錶板導航系統中占主導地位,但是三軸陀螺儀的問世讓設計人員能夠最佳化系統元件的數量或提高系統設計或最終導航板安裝的靈活性,因為設計人員可以使用三個軸的訊號。例如,因為受到安裝機位的限制,過去多家汽車廠商必須將導航主機板傾斜約20度,傾斜安裝會影響單軸偏航陀螺儀的靈敏度,為彌補靈敏度受損,感測器廠商必須在感測器封裝內修正這個角度。


除在封裝級引起一些技術難題外,該解決方案未給汽車廠商提供在儀錶板內改變導航板安裝位置的靈活性。三軸陀螺儀配合三軸低g加速度計提供最大的安裝角度:加速度計計算導航板在儀錶板內的安裝傾斜度,同時陀螺儀精確提供航位推測運算所需的全部角速率資料。俯仰角速率資料可用於推算汽車所在位置的海拔高度資訊。通過手機中的羅盤和GPS功能,消費者還可發現和查看附近的興趣點,如消費者只需將手機指向飯店或商場,即可查看相關的資訊。



圖二 : 三軸陀螺儀運用一個感測器結構檢測目錄物體在三個正交軸上的運動,從而消除了軸間相互干擾,提高了檢測精度,同時時間和溫度輸出穩定性十分出色。(圖片來源:ST)
圖二 : 三軸陀螺儀運用一個感測器結構檢測目錄物體在三個正交軸上的運動,從而消除了軸間相互干擾,提高了檢測精度,同時時間和溫度輸出穩定性十分出色。(圖片來源:ST)

2. 汽車安全系統

今天,將被偷盜的車輛拖走是最常見的盜車手段,MEMS加速度計可用來偵測盜車、砸車或托車等偷盜行為,進而提高汽車的防盜能力。MEMS加速度計可偵測每個軸上的重力分量,以此偵測汽車的傾斜角度。因此可以設定一個閾角,當汽車傾斜度超過這個閾值時,汽車防盜系統將會啟動,通過報警器、喇叭或手機簡訊提示車主注意。MEMS加速度計還可偵測汽車靜止狀態下的劇烈震動,因此能夠有效地偵測砸車盜竊行為。


只有飛機才有的黑盒子如今正在進入汽車市場,MEMS感測器能夠為事故偵測和精確定位提供關鍵輸入資料,可以偵測劇烈加速、緊急制動和急轉彎等事件。MEMS能夠偵測到X、Y、Z三個軸向的衝擊力強度,為緊急救援中心或警局提供重要的輸入資料,黑盒子加速度計記錄的加速度數據可用於監視汽車的行駛方式。車主或保險公司可通過黑盒子評估駕駛員的操作是否得當。偵測汽車導航和航位推算記錄是黑盒子的另一個功能。


3. 整合資訊娛樂

汽車資訊娛樂系統不再是一個被動的音樂播放系統,而是一個智慧化程度更高的人機交互介面。音量隨車速自動調節就是其中一個新的資訊娛樂應用。加速度計可偵測汽車加速度,命令中控台提高音量。高精準度且高訊號噪音(雜訊)比的MEMS麥克風可讓汽車實現聲控功能。


結論

除前文提到MEM正在被汽車廠商用於更廣泛的應用領域,我們鼓勵讀者在產品設計中探索更多的MEMS應用,提高產品的智慧化程度。


(本文作者Vishal GOYAL為ST技術行銷經理,Marco FERRARESI為動作MEMS產品部汽車電子與客製化工業業務開發經理)


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