《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MEMS傳感器怎樣提高汽車電子的性能

2019-09-21
關(guān)鍵詞: 汽車電子 傳感器 MEMS

  微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是通過使用先進的微制造技術(shù)將機械器件,、傳感器和電子組件部署在單個硅基板上而實現(xiàn)。如今,這些技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了汽車市場各種車型使用的大部分傳感裝置,,并帶來系統(tǒng)在降低成本、持續(xù)可靠性(由于固有的穩(wěn)健性),、空間利用(由于其緊湊的尺寸)以及工作性能等方面相當大的設(shè)計優(yōu)勢,。

  一般而言,汽車中使用的MEMS傳感器可分為四類:

  加速度計和陀螺儀,。

  用于測量流量和壓力的傳感器,。

  用于車載應(yīng)用的傳感器,包括可改善和監(jiān)控道路視覺的紅外傳感器,,進行車內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量測量的傳感器,,以及用于平視顯示器的微型掃描儀等。

  用于汽車雷達的射頻傳感器,。

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  圖1:汽車傳感器的圖解,。

  在汽車系統(tǒng)中,通過MEMS傳感器可以得到影響汽車運行的許多關(guān)鍵參數(shù),,并能夠創(chuàng)建較為廣泛的控制解決方案,。MEMS傳感器可應(yīng)用于安全氣囊,、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和電子穩(wěn)定程序(ESP)控制系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)以及眾多的駕駛輔助功能,。

  特別針對汽車應(yīng)用,,應(yīng)該注意的是當代汽車在復雜性方面已經(jīng)有了很大的提高,包括集成數(shù)量越來越多的安全設(shè)備,,降低油耗和抑制有害氣體的排放,,提高駕駛舒適性等復雜功能。

  加速度計和陀螺儀

  加速度計的用途是測量以重力(G)為單位的加速度值,。MEMS器件在具有高噪聲源的應(yīng)用中能夠提供高精度,。一些器件使用壓電(piezoelectric)效應(yīng)來確定加速度值,這些器件包含微晶體結(jié)構(gòu),,在有加速度力時產(chǎn)生應(yīng)力,,繼而產(chǎn)生相應(yīng)的AC/DC電壓。在大多數(shù)情況下,,設(shè)計工程師傾向于選擇電容式或熱微機電加速度計(thermal micro-electromechanical accelerometer),。但要為其應(yīng)用選擇合適的加速度計,需要考慮幾個重要的變量,,其中包括傳感器結(jié)構(gòu),、諧振、可靠性,、穩(wěn)定性,、帶寬和功耗等等。

  與加速度計不同,,陀螺儀傳感器測量的是角速度,,其單位是每秒度數(shù)(°/ s)或每秒轉(zhuǎn)數(shù)(rps),角速度僅僅是轉(zhuǎn)速的測量,。在選擇陀螺儀時,,必須考慮可靠性、工作溫度范圍以及對電磁干擾的潛在敏感性等等,,由噪聲源引起的誤差可能會影響測量精度,并因此影響系統(tǒng)設(shè)計,。

  用于安全氣囊控制的碰撞傳感器是汽車系統(tǒng)中最經(jīng)典的應(yīng)用,。它主要由MEMS慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)組成,加速度計連續(xù)測量汽車的加速度,,當該參數(shù)超過預定閾值時,,微控制器單元(MCU)能夠計算出加速度的積分值,以確定是否發(fā)生了相當大的速度變化,。安全氣囊中通常采用單/雙軸加速度傳感器,,在某些設(shè)計中,,也可以使用角速度傳感器。

  STMicroelectronics的AIS1120SX/AIS2120SX 三軸加速度計具有高測量分辨率和低噪聲水平,,能夠提供不同的工作模式以實現(xiàn)節(jié)省能源,、系統(tǒng)喚醒等智能功能。這些高G加速度傳感器具有完整的信號幅度檢測范圍,,以及擴展的工作溫度范圍(圖3),,適用于汽車安全系統(tǒng)中的安全氣囊準確部署。意法半導體的產(chǎn)品組合還包括6軸iNEMO 系統(tǒng),,加速度計和陀螺儀傳感器都封裝在同一芯片內(nèi),。

  ADXRS910是ADI公司基于MEMS技術(shù)的陀螺儀,它專為汽車側(cè)翻檢測應(yīng)用而設(shè)計,。該器件包含一個內(nèi)部溫度傳感器,,用于補償失調(diào)和靈敏度性能,在- 40℃~+ 105℃的溫度范圍內(nèi)具有非常高的穩(wěn)定性,。該陀螺儀可提供±300°/s的完整范圍,,可通過SPI通信(最高10MHz)進行數(shù)據(jù)讀取。它采用SOIC封裝,,工作電壓為3.3V和5V,,工作電流小于20mA(見圖4)。

  壓力和超聲波

  在汽車系統(tǒng)中,,存在不同類型的流體(燃料,,發(fā)動機油,冷卻劑,,清洗液等),,這些流體需要使用非侵入性且安全可靠的方法監(jiān)測當前狀態(tài)或消耗水平。Melexis的MLX90819 MEMS壓力傳感器采用標準5V電源供電,,可用于精準確定各種應(yīng)用中的流體壓力水平,,其中包括監(jiān)控發(fā)動機機油、變速箱油和汽車燃油油位,、空調(diào)系統(tǒng)的冷卻液,,以及重型汽車制動器中的空氣壓力等等(見圖5)。

  高頻超聲波人耳無法察覺到,。在液位測量應(yīng)用中,,反射超聲波的單元漂浮在液體表面,傳感器安裝在容器底部,,信號能夠連續(xù)傳輸,。因此,通過測量聲波到達目標,,被反射和返回所需的時間,,即術(shù)語飛行時間(ToF),,可以確定液位水平。為了提高超聲波傳感器的精度,,通常引入溫度傳感器,,以便能夠在溫度變化時精確地計算超聲波的速度。超聲波還可用于執(zhí)行流體速度的精確測量,。用于汽車的SoC解決方案具有集成的模擬前端(AFE),,可替代傳統(tǒng)的分立解決方案,在10mm至1m的范圍內(nèi),,可以達到1mm級別的檢測精度,。德州儀器(TI)的TDC1000是一款完全集成的AFE,用于汽車市場中的超聲波液位測量,、流體/濃度識別和接近等應(yīng)用,。與MCU結(jié)合使用,可以構(gòu)成完整的超聲波檢測解決方案,。

  結(jié)論

  MEMS技術(shù)的許多最重要應(yīng)用都是在要求更苛刻的汽車市場,,這種技術(shù)能夠降低成本,并提高汽車性能,。很明顯,,基于MEMS的壓力傳感器、加速度計和其他器件對于提高道路行駛的安全性至關(guān)重要,,并在即將到來的自動駕駛中起重要作用,。


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