一文看懂MEMS传感器在汽车电子中的应用

定律2014

MEMS技术是随着半导体 集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，它开辟了一个全新的技术领域和产业，其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

采用MEMS技术制作的微传感器 、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境 监控 、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

MEMS传感器的设计必须同时考虑多种物理场混合作用，相对于传统的传感器，它们的尺寸更小，基本是微纳米级别。MEMS传感器多采用以硅为主的材料， 电气性能 优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产。

随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计、传感器结构设计与制造 工艺的不断突破，MEMS传感器已经衍生出众多品种，其分类方法很多。按其工作原理，MEMS传感器可以分为物理型MEMS传感器、化学型MEMS传感器以及生物型MEMS传感器三类。

其中，物理型MEMS传感器是汽车上采用得最为普遍的传感器，主要应用于安全系统、制动防抱死系统( ABS )、 发动机 系统、行车导航、车辆监护和自诊断等方面。目前，车用MEMS传感器市场的主导产品为 压力传感器 、加速度计、微陀螺仪 、化学传感器、 气体传感器 和 指纹 识别传感器等。

具体来说，MEMS压力传感器可以用来测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变 电阻 ，再以惠斯顿 电桥 方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。

车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是目前MEMS微加速度计中的主流产品。

微陀螺仪是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的 GPS 信号补偿和汽车底盘控制系统，主要有 振动 式、转子式等几种。目前，应用最多的属于振动陀螺仪，它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道。通常，它与低加速度计一起构成主动控制系统。

下面，我们一起来看看MEMS传感器在汽车电子系统中的十大应用。

电子稳定性控制系统 （ESC）

电子稳定性控制系统 （ESC、Electric Stability Control） 是用于防止车辆在雨后湿滑的道路或弯曲路段处发生侧滑的装置。该装置使用了Murata Electronics Oy （以下简称为MFI） 的加速度传感器。

通常，仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。该场合下电子稳定性控制系统 （ESC） 就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向，来控制车辆使其不偏离道路。该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角，同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对，从而调整车辆转向以防止发生侧滑。

加速度传感器通常会被独立安装在车辆重心附近，或作为传感器组的一部分以贴装组件的形式被安装在印制电路板上。标准测量范围为±1.5～2.0g; 偏移量与温度或使用时间无关，稳定在100mg以下; 频带在0～50Hz范围内。电子稳定性控制系统 （ESC） 通常需要以车辆的横向为检测轴，以确保在受到纵向加速度或车辆减速时，将影响控制在最小限度。将MFI的加速度传感器安装在印制电路板上时，可选择两种安装方向，即检测轴是与安装面平行还是垂直。若使用的是独立型加速度传感器时，则需要根据安装位置选用相应的托架。

在全球范围内，有关 ESC的标准法规制定工作正在积极推进中。在联合国“世界车辆法规协调论坛”“1998年协定书”的框架下，有关“轻型汽车电子稳定性控制系统”全球技术法规 （GTR） 于2008年制定完成并获得WP29批准 （即GTR8） 。美国、欧美、日本、澳大利亚、韩国等在内的国家和地区已经或正在将ESC作为强制安装的安全装置。作为“1998年协定书”签署国，中国从2007年开始全面参与ESC全球技术法规的协调进程，结合国内ESC产品开发、应用和试验能力提出了若干提案，并正在制定相关的国家标准。

电子驻车制动系统（EPB）

EPB （电子驻车制动系统，Electronic Parking Brake） 取代了传统的基于机械杠杆和链条的驻车制动装置，为驾驶员提供了更有效的停车辅助。并且由于取消了主副驾驶位之间的驻车制动杆，驾驶席周围的空间便能得到更有效的利用。EPB系统可根据车体纵向的倾斜度不断调整刹车力度。仅需按下仪表盘上相应的按钮，刹车就会被锁定; 在车辆启动和加速时，刹车将自动解锁。

该系统还能够对低速牵引状态下的车辆进行辅助控制，防止车辆在坡上自然下滑。该系统与距离传感器系统信号对接后，甚至可以在狭窄区域内完成平行停车。如果与发动机防盗系统整合，便可形成一套最为可靠的防盗机制。该系统内的传感器实际测量起点通常是在±3°以内; 对应的重力加速度值大约为50mg.这刚好与车辆在整个使用寿命和温度范围内的偏移稳定性要求相吻合。系统内部传感器的频率范围按要求尽量保持最低，上限不超过10-50Hz.

防抱死制动系统 （ABS）

在四轮驱动的车辆中，由于每个车轮都可能会打滑，所以ABS系统所需的车身速度和车轮速度参数无法通过传感器来测量。因此车辆的加/减速度信息只能通过对前后方向加速度的测量来获得。ABS系统的加速度传感器除了能够以独立元件或集成在印制电路板上的形式装入ABS控制器外，还能安装在其他的传感器类中。

ABS系统使用的加速度传感器的测量范围通常在1～2G （G为重力加速度） 。在检测温度范围和车辆使用寿命内误差偏移能够始终低于100mg的状态。该传感器的检测轴的方向必须为车辆的前后方向。Murata Electronics Oy的加速度传感器可以满足各种传感器单元和印制电路板贴装情况下的应用。

电子控制式悬架系统 （ECS）

电子控制式悬架系统 （ECS） 的主要用途是根据行驶速度、路面状况、转向情况、变速状态等信息以及不同的驾驶条件调节悬挂系统，为驾驶者提供良好的操作稳定性和乘坐舒适度。ECS系统为用户呈现从平稳舒缓到高速畅快的多种驾驶体验。驾驶者仅需按下选择按钮就能在运动型、普通型和舒适型驾驶模式间自由切换。

ECS系统内部的加速度传感器可用于检测车体的运动状态，有时还用于检测前轮垂直方向的运动状态。用于检测车体的运动状态的两个加速度传感器被安装在前减震器与弹簧顶部固定点附近。而靠近轮毂的加速度传感器则是被装在减震器和车轮弹簧附近区域。这样一来，就能够通过两组传感器的测量数据计算出车体与车轮的垂直距离差。在更先进的轮毂传感器系统中，加速度传感器则被距离传感器替代，用于直接测量车轮与车体之间的距离。

另外，在许多ECS系统中，车辆的中部或后部还额外装有一个用于检测车辆颠簸的加速度传感器。能够略微消除车体在加速或减速时的倾斜。

空气悬架系统如今被应用于包括运动型多功能车 （SUV） 在内的大多数中高档、豪华型车辆。可通过调节车体边角处气罐内的空气体积来修正悬架设置。该系统通常包括1个特殊的气体压缩机，1到2个气体储备罐，4个由空气弹簧和传统减震器构成的减震单元，2到5个独立的加速度传感器，以及电子控制单元 （ECU） 。由于空气悬架系统对中小型车辆来说较为昂贵，通常会使用以油取代空气的悬架系统。尽管调节油量的系统价格较低，但是无法达到空气式悬架系统的高效性和舒适度。油量的调节由特殊的电子阀门来实现，该系统中会使用3到5个独立的加速度传感器。

防翻滚稳定性控制系统（ARC）

作为车辆稳定性控制的一部分，车辆防翻滚稳定性控制系统 （ARC） 通常被整合进电子稳定控制系统 （ESC） 或悬架系统。防翻滚控制能够在启动刹车装置或平衡杆的异常动作时，防止车体发生大幅度的摇晃。在将ARC系统整合到ESC系统中时，需要额外使用一个用于检测车辆前后方向加速度的加速度传感器 （测量范围为1～2g） 。

当该系统被用于SUV或越野车等车身整体较高或悬架位置较高的车辆时，有时也会被设计成一个独立的系统。此时，需将一个独立型传感器安装在车的顶部，另一个则装在下方地板处相应的位置。

引擎防震系统

引擎和变速箱的防震控制如今正吸引业内人士越来越多的关注。其中一个重要的原因是新一代的引擎能够在无需满负荷运作时，通过关闭部分气缸来节省燃料。

引擎中个别气缸的关闭会导致车体的震动。并且相对引擎重量而言，车体重量正在变得越来越轻。特别对于柴油动力的6气缸或8气缸引擎来说，引擎的震动将会导致车辆整体随之震动。而对于混合动力汽车，汽油和电力引擎间的频繁切换也会导致车体震动，该情况在小型柴油混合动力车中尤为突出。

应对车体震动的最新解决方案是主动电子控制减震装置。这些装置在闭环控制系统 （反馈控制系统） 中使用了加速度传感器，并被装在车体的各个重要部位。

上坡起步辅助系统 （HSA）

HAS （Hill Start Assist） 是一个直接连接主刹车装置和ESC系统的电子驻车制动系统。当车辆在坡上发动时，它可以自动控制制动压力以防止车辆向后自然下滑。

HAS系统需要使用高性能的传感器来感应车辆前后方向细微的倾斜，也就是道路的斜率。该系统对传感器稳定性的要求为在使用寿命和温度范围内测量出的倾角误差小于3° （换算为传感器输出值相当于50mg） 。在汽车装配时产生的所有“偏移误差”，都可以在生产线最后的“偏移校准”步骤中消除; 此外，还可通过电子稳定性控制 （ESC） 系统内的电子控制单元 （EUC） 所装的软件来对完成后的偏移信号进行校准。

心跳探测和先进防盗系统

所谓心跳探测，是通过高灵敏度传感器和精密的电脑软件相互配合，从而在车辆已被上锁等应为空车状态的情况下，探测车内是否有人的新型系统。该系统可被用于检测由于父母疏忽而被留在车内的儿童或藏匿于车内的非法进入者。车辆防盗装置和引擎锁定防盗装置的原理是使用较为廉价的2轴加速度传感器来检测车辆的运动状态。如果与高精度的心跳探测传感器相结合，就能构成安全系数更高的先进防盗系统。

翻滚传感器 （ROV）

翻滚传感器即侧翻检测传感器，作为乘客保护系统的一部分被整合在安全气囊控制系统中。所谓翻滚传感器，具体来说，是由1轴或2轴 （翻转角和俯仰角） 角速度传感器和加速度传感器构成的，用于检测车辆Z轴方向也就是上下方向的角速度和加速度的传感器。该系统中加速度传感器的测量范围基本上为3～5g,频带最大不超过400Hz,稳定偏移约为300mg.

车胎压力检测系统（TPMS)

将压力传感器应用于汽车领域的车胎压力监测系统正在迅速推进中。虽然该系统基本上是通过对胎内气压的监控点亮警告指示灯，但若能与各类车辆安全系统进行关联，就可以实现爆胎预警之外的许多极具吸引力的功能。当车胎压力不正常时，将有可能发生以下几种问题：

前胎气压过低将导致转向不足，后胎气压过低将导致过度转向。不论胎压是不足还是过高，都会显着缩短轮胎的使用寿命。当轮胎压力偏离最佳值0.4bar时，轮胎寿命将缩短30%; 胎压不足的情况下，压力每低0.6bar,就会额外增加4%的油耗。当以超过100km/h的速度高速行驶时，一旦发生轮胎打滑的现象，轮胎就会脱离路面，这是十分危险的。当车胎压力比正常值的50%还低时，即使使用了ABS系统，在湿滑路面以100km/h行驶的制动距离也会增加10m.当车胎压力低于一定值时，系统将发出警报。不正常的车胎压力将妨碍悬架系统的正常工作。