ＭＥＭＳ傳感器開創汽車主動安全系統的新時代

摘要：本文試圖讓從事汽車電子系統設計的工程經理以及工程師概要了解MEMS傳感器在汽車安全系統設計創新中的應用，全球主要MEMS傳感器系統制造商和半導體公司，從而了解產業發展的現狀和趨勢。

關鍵詞：汽車安全；傳感器；MEMS；主動安全

在撰寫本文之時，正是全球半導體行業發展陷入低迷之時，新一輪的產業整合在所難免。然而，說起汽車安全這個話題，也許給半導體行業帶來的永遠是春天的感覺吧。根據FrostSullivan的分析，從全球范圍看，汽車安全技術呈現下列趨勢：

全球主要市場對于主動及被動安全系統的需求將以6.4％的年復合增長率成長，預計到2012年將達到262億美元的市場規模；

日本是當今最大的主動安全系統的市場，預計歐洲將在2010年后趕上；

預期到2010年，汽車穩定系統將繼續占據主動安全系統市場的大頭，安全警告與信息系統市場有望取得長足發展；

汽車被動安全市場將停滯，然而，在地區市場中各種新興技術有望獲得發展機會；

在汽車安全領域，歐洲和日本以技術推動法規的制定，北美以法規推動技術的發展；

下一代汽車安全系統可能采用傳感器熔接技術來增強道路安全性；安全以及駕駛員輔助系統將逐漸向中級車以及SUV滲透；

FrostSullivan公司分析師PrashanthVenkatesh表示，對增強汽車安全性能的需求將推動MEMS傳感器市場的持續增長。本文試圖讓從事汽車電子系統設計的工程經理以及工程師概要了解MEMS傳感器在汽車安全系統設計創新中的應用，全球主要MEMS傳感器系統制造商和半導體公司，從而了解產業發展的現狀和趨勢。

哪些汽車安全系統要使用MEMS傳感器?

目前，根據NEXUS的市場研究，典型中級車包含50多個傳感器，而豪華車裝備100個以上的傳感器，其中，大約1/3的傳感器采用的是MEMS傳感器。圖1給出了NEXUS對汽車MEMS傳感器市場的調查結果。

MEMS傳感器在汽車安全系統中的應用包括下列主要的系統：

智能氣囊系統

當車輛發生碰撞時，乘員的安全維系于氣囊的及時展開，它必須在恰到好處的時間點張開，并朝著乘員的方向提供合適的作用力。

盡管對于乘員及其運動的監測可以由位于座椅上的MEMS加速計系統來監測，但是，在車輛中的安全氣囊系統可以被安裝在不同的地方，因此，要判斷多個信息，如：識別碰撞的類型、方向、重力影響等等，這樣才能保證氣囊系統做出明確和專注的反應。

利用MEMS加速計的高集成能力以及精度，可以定義更為復雜的氣囊系統架構，從而替代多個機電碰撞傳感器系統，為汽車提供先進的乘員安全條件。

防盜系統

在汽車防盜系統中，也可以采用MEMS加速計。在這種情形下，加速計被用做傾斜計，感測汽車或摩托車相對于地面的傾斜度。當盜賊用拖車盜竊車輛時，加速計將檢測到傾斜度的變化，從而讓聲音報警系統工作。

一般來說，3軸加速計的安裝很方便，因此，防盜系統的MEMS傳感器可以被安裝在車輛中的任何位置。

頭燈光線定向系統

在黑暗的條件下行車，汽車行駛的安全性依賴于汽車頭燈光線的定向。

頭燈光線要對準我們行駛的路面可能依賴于許多不同的外部條件，這些條件由路況以及車況兩方面構成，路況信息包括是否瀝青路面、轉彎、上下坡、駕駛技能和經驗等，而車況信息包括胎壓、懸架、乘員數量、重量以及車輛平衡度等等。

駕駛員不必針對上述情況持續地調節頭等光線的方向，這均是頭等光線定向系統要完成的功能。

利用MEMS傳感器，如加速計和陀螺儀，頭等光線定向系統得以實現，從而開啟汽車安全的新時代，它可以增強對路面和障礙物的照射，確保更為安全的駕駛狀況。

乘員檢測系統

在出現車輛與障礙物碰撞時，為了安全地拯救乘員的生命，要在座椅周圍分布完整的氣囊傳感器。

因為瞬間碰撞可能是無法預知的，汽車電子系統應該確定誰以及是什么坐在乘員座位上。根據車內每一個乘員及其位置，乘員檢測系統不僅僅要確定張開哪只氣囊，而且更為重要的是確定氣囊展開的力度，MEMS加速計增強了這種功能，它能夠快速檢測因碰撞力導致乘員被從座位上彈起來的情況。

主動安全系統

MEMS加速計以及陀螺儀是兩種完全能夠滿足汽車主動安全系統要求的傳感器。

一般來說，涉及車身控制的汽車主動安全系統包括；汽車翻滾控制、汽車防滑穩定性控制、防抱死系統、停車制動、胎壓監測、懸架對車輛以及路況的自適應調節等系統。

MEMS傳感器具有高精密度和準確性，占位空間非常小，能夠與其它系統高度集成為一體，從而可以瞬間檢測到那些功能系統發出的任何信息。

由于MEMS傳感器在汽車安全系統創新中有著廣泛的應用，眾多系統廠家以及半導體公司躋身其中。據Yole Development統計，2006年十大MEMS器件制造商分別是：TI、惠普、博世、利盟、精工一愛普生、ST、佳能、飛思卡爾、ADI以及電裝公司。可見，其中一半制造商與汽車有關。

汽車安全系統所采用的傳感器正呈現由孤立的傳感器朝著一體化模塊的方向發展。相比之下，在半導體行業為摩爾定律是否仍然有效而爭論不休之時，MEMS技術卻推動著超越摩爾定律的變革，實現了更高水平的系統集成。目前，為汽車安全系統提供MEMS加速度以及陀螺儀傳感器的公司主要包括：ST、Memsic、ADI、飛思卡爾、Bosch Sensortec以及VTI。

據Yole Development消息，全球范圍內目前已經形成了以ST、IMT、索尼、APM、Micralyne、Dalsa半導體、ELMOS-SMI、Memstech、Colibrys、Silex、Memscap以及Tronic旗下Microsystems公司等構成的MEMS器件代工群體。因此，隨著MEMS器件生態系統的成熟，汽車安全系統有望隨著MEMS傳感器技術的發展而迎來巨大機遇。

汽車安全系統創新實例及傳感器技術趨勢

在電控車身系統、動力總成系統、輔助駕駛系統以及車載信息系統等系統的支撐下，整車正向著更安全、更清潔和更經濟的方向發展。所有這些系統均高度依賴于各種傳感器提供的輸入，其中，大多數傳感器的制造均采用了MEMS技術。在MEMS領域的技術進步使人們能夠極大地縮小這些傳感器的尺寸，因此，除了性價比更高之外，基于MEMS傳感器的模塊還可以集成越來越多的功能，如自測以及精確的檢驗程序等等。

MEMS加速度傳感器在汽車安全系統中有著廣泛的應用，舉例來說，圖2所示為汽車中的高g值傳感器的應用示意圖。

在防翻滾安全系統中，要采用一種基于MEMS技術的慣性傳感器，如圖3所示。為了監測翻滾這種狀態，把陀螺儀輸出的傳感器信號與低g值加速度傳感器的輸出信號結合起來就是至關重要的。通過處理兩個傳感器給出的信號，系統的算法確定車的Z軸以及垂直線之間的夾角，以及每一時刻車輛的角速度3x。因此，翻滾感測算法及時確定準確的時間點和位置，從而爆開特定的氣囊或主動收緊綁在乘員身上的安全帶。

此外，電子穩定程序(ESP)系統也是MEMS傳感器的一個重要應用領域，它能夠在所有的駕駛情況下提高車輛的行駛穩定性。通過傳感器測量車輛的偏航率，并把它與其它參數一如轉向角和速度一進行比較，可以檢測過度轉向或轉向不夠這樣的行駛狀況。如果行駛過程中需要ESP發揮作用，那么，該系統會自動地分別制動車輪。因此，傳感器提供的信號是ESP算法執行的根本基礎，是提高行車穩定性的關鍵。

MEMS偏航傳感器一般由容性硅振蕩器構成，其周圍是若干懸浮的網狀材料。當受到垂直于振動軸的外部旋轉運動的作用時，作用力使振動面出現偏離，從而導致電容的變化。

目前，汽車安全系統應用中的偏航傳感器的發展趨勢是具有高偏移量穩定性、振動魯棒性以及全數字信號處理功能。這使之比模擬傳感器更為耐用。永久性的主動內部故障檢測功能，使故障識別以及主動自測功能成為可能，因此，有助于增強可靠性。此外，偏航傳感器與加速度傳感器結合在一起，構成一體化的傳感器平臺也是一大發展趨勢。例如，博世公司的DRS-MM3傳感器串。

根據整車系統設計的需要，傳感器串由于采用了靈活的結構，能夠在不同的車輛方向上監測偏航率以及加速度，因此，適合于高度動態以及高度精密的系統，如電子穩定程序(ESP)、翻滾減輕系統以及電子主動操縱系統等等。

結語

在汽車主動安全系統中，新型的傳感器系統有望在未來幾年出現，其中包括：側碰氣囊的壓力傳感器、用于車與車之間感測的RF MEMS傳感器、以及跟CCD成像處理配合使用MEMS光學傳感器。下一代汽車安全系統傳感器有望是一種一體化的傳感器系統，它采用公共信號：來操作多個系統，例如，一個加速度傳感器既為安全氣囊提供信號，也為車身控制系統提供信號。這種新型的傳感器系統將高度依賴于先進的軟件系統來實現，從而進一步提高汽車的安全性。

另一方面，據報道，汽車傳感器的50％的成本花在了校準和測試上，因此，迫切需要對傳感器的設計進行創新。半導體公司通過與汽車行業的合作，有望在系統層面加速新型傳感器系統的開發和實現，大幅降低傳感器的成本，從而為汽車安全系統MEMS傳感器的普及應用開辟新的發展機會，值得整個電子系統設計、測試、制造以及半導體行業的關注。而中國目前從事MEMS器件制造的企業相對比較薄弱，因此，發展MES傳感器產業的空間巨大。