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MEMS感测器在汽车业的创新应用
汽车感测市场需求增温

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

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汽车电子是全球半导体市场中最受追捧的应用市场之一,汽车技术创新是影响汽车差异化和消费者购车的最重要因素。微机电系统(MEMS)也因此成为汽车市场成长最快的半导体晶片之一,其中,加速度计、陀螺仪和压力感测器占百分比最大。



图一 : 典型的MEMS 产品是由两个IC组成的SIP组件,其中第一个IC检测目标参数,并将其转换成等效电容,而第二个IC则将等效电容转换成电压或I2C数字讯号。(图片来源:ST)
图一 : 典型的MEMS 产品是由两个IC组成的SIP组件,其中第一个IC检测目标参数,并将其转换成等效电容,而第二个IC则将等效电容转换成电压或I2C数字讯号。(图片来源:ST)

MEMS在汽车市场的新应用

相较于IC技术只利用矽的电性质,MEMS则利用矽的电和机械两种性质。 MEMS的核心结构不是闸极-源极,而是完全由矽制成的微型机械结构。这些结构包括能够移动的质块、弹簧、腔室、阻尼器等。


MEMS已经发展出应用广泛的动作、加速度、倾斜度和振动感测器,可以侦测加速度、磁场和压力。其中MEMS加速度计可侦测沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度;磁力计可侦测X轴、Y轴和Z轴的地球磁场强度;陀螺仪可侦测沿三个正交轴的角速度,完成360°的角速度侦测,在手机、游戏机、个人导航系统等可携式装置内用于高精准度3D手势和动作识别。此外,将加速度计、磁力计和陀螺仪整合在一起,可以组成惯性测量单元,追踪并提供人、车辆等物体的动作类型、速率和方向等资讯。在汽车市场的创新应用分析如下:


1. 精确及辅助定位功能

航位推算(Dead Reckoning, DR)是车辆追踪和远端资讯处理系统的一个重要功能。目前,定位系统使用GPS卫星讯号追踪汽车,但是某些地区无法接到GPS讯号,如在室内、隧道、地下通道、高楼林立的街道等卫星讯号不好的地区,MEMS感测器可以保持汽车航位资讯的精确度。


动作MEMS感测器可监测汽车移动、行驶距离、方向和海拔高度。精确的陀螺仪测量资料还可提高地图与GPS定位的匹配度。精确的定位功能可显示使用者在数位地图或公路网上的位置,以便分析交通流量分析和确定行驶方向。我们即运用TESEO晶片和创新的3轴惯性感测器以及航位推算演算法开发出一个全功能的精确定位参考平台。


虽然当前单轴偏航陀螺仪依然在仪表板导航系统中占主导地位,但是三轴陀螺仪的问世让设计人员能够最佳化系统元件的数量或提高系统设计或最终导航板安装的灵活性,因为设计人员可以使用三个轴的讯号。例如,因为受到安装机位的限制,过去多家汽车厂商必须将导航主机板倾斜约20度,倾斜安装会影响单轴偏航陀螺仪的灵敏度,为弥补灵敏度受损,感测器厂商必须在感测器封装内修正这个角度。


除在封装级引起一些技术难题外,该解决方案未给汽车厂商提供在仪表板内改变导航板安装位置的灵活性。三轴陀螺仪配合三轴低g加速度计提供最大的安装角度:加速度计计算导航板在仪表板内的安装倾斜度,同时陀螺仪精确提供航位推测运算所需的全部角速率资料。俯仰角速率资料可用于推算汽车所在位置的海拔高度资讯。通过手机中的罗盘与GPS功能,消费者还可发现和查看附近的兴趣点,如消费者只需将手机指向饭店或商场,即可查看相关的资讯。



图二 : 三轴陀螺仪运用一个传感器结构检测目录物体在三个正交轴上的运动,从而消除了轴间相互干扰,提高了检测精度,同时时间和温度输出稳定性十分出色。(图片来源:ST)
图二 : 三轴陀螺仪运用一个传感器结构检测目录物体在三个正交轴上的运动,从而消除了轴间相互干扰,提高了检测精度,同时时间和温度输出稳定性十分出色。(图片来源:ST)

2. 汽车安全系统

今天,将被偷盗的车辆拖走是最常见的盗车手段,MEMS加速度计可用来侦测盗车、砸车或托车等偷盗行为,进而提高汽车的防盗能力。 MEMS加速度计可侦测每个轴上的重力分量,以此侦测汽车的倾斜角度。因此可以设定一个阈角,当汽车倾斜度超过这个阈值时,汽车防盗系统将会启动,通过报警器、喇叭或手机简讯提示车主注意。 MEMS加速度计还可侦测汽车静止状态下的剧烈震动,因此能够有效地侦测砸车盗窃行为。


只有飞机才有的黑盒子如今正在进入汽车市场,MEMS感测器能够为事故侦测和精确定位提供关键输入资料,可以侦测剧烈加速、紧急制动和急转弯等事件。 MEMS能够侦测到X、Y、Z三个轴向的冲击力强度,为紧急救援中心或警局提供重要的输入资料,黑盒子加速度计记录的加速度数据可用于监视汽车的行驶方式。车主或保险公司可通过黑盒子评估驾驶员的操作是否得当。侦测汽车导航和航位推算记录是黑盒子的另一个功能。


3. 整合资讯娱乐

汽车资讯娱乐系统不再是一个被动的音乐播放系统,而是一个智慧化程度更高的人机交互介面。音量随车速自动调节就是其中一个新的资讯娱乐应用。加速度计可侦测汽车加速度,命令中控台提高音量。高精准度且高讯号噪音(杂讯)比的MEMS麦克风可让汽车实现声控功能。


结论

除前文提到MEM正在被汽车厂商用于更广泛的应用领域,我们鼓励读者在产品设计中探索更多的MEMS应用,提高产品的智慧化程度。


(本文作者Vishal GOYAL为ST技术行销经理,Marco FERRARESI为动作MEMS产品部汽车电子与客制化工业业务开发经理)


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