MEMS传感器@@在汽车@@电子@@中有哪些应用@@?

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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@@@@、敏感金宝@@博@@手机登录@@@@ 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@@。

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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@@@@除了能够以独立金宝@@博@@手机登录@@@@ 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@@。

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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@@。

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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.

 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@@。

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