MEMS传感器开创汽车主动安全系统的新时代

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新一轮的产业整合在所难免。然而,说起汽车安全这个话题,也许给半导体行业带来的永远是春天的感觉吧。根据Frost & Sullivan的分析,从全球范围看,汽车安全技术呈现下列趋势:

全球主要市场对于主动及被动安全系统的需求将以6.4%的年复合增长率成长,预计到2012年将达到262亿美元的市场规模;日本是当今最大的主动安全系统的市场,预计欧洲将在2010年后赶上;预期到2010年,汽车稳定系统将继续占据主动安全系统市场的大头,安全警告与信息系统市场有望取得长足发展;·汽车被动安全市场将停滞,然而,在地区市场中各种新兴技术有望获得发展机会;·在汽车安全领域,欧洲和日本以技术推动法规的制定;北美以法规推动技术的发展;·下一代汽车安全系统可能采用传感器熔接技术来增强道路安全性;安全以及驾驶员辅助系统将逐渐向中级车以及SUV渗透;车用电容传感器的新契机

Frost & Sullivan公司分析师Prashanth Venkatesh表示,对增强汽车安全性能的需求将推动MEMS传感器市场的持续增长。本文试图让从事汽车电子系统设计的工程经理以及工程师概要了解MEMS传感器在汽车安全系统设计创新中的应用,全球主要MEMS传感器系统制造商和半导体公司,从而了解产业发展的现状和趋势。

 


图1 汽车MEMS传感器市场发展的对比情况

哪些汽车安全系统要使用MEMS传感器?

目前,根据NEXUS的市场研究,典型中级车包含50多个传感器,而豪华车装备100个以上的传感器,其中,大约1/3的传感器采用的是MEMS传感器。图1给出了NEXUS对汽车MEMS传感器市场的调查结果。

MEMS传感器在汽车安全系统中的应用包括下列主要的系统:

智能气囊系统

当车辆发生碰撞时,乘员的安全维系于气囊的及时展开,它必须在恰到好处的时间点张开,并朝着乘员的方向提供合适的作用力。

尽管对于乘员及其运动的监测可以由位于座椅上的MEMS加速计系统来监测,但是,在车辆中的安全气囊系统可以被安装在不同的地方,因此,要判断多个信息,如:识别碰撞的类型、方向、重力影响等等,这样才能保证气囊系统做出明确和专注的反应。

利用MEMS加速计的高集成能力以及精度,可以定义更为复杂的气囊系统架构,从而替代多个机电碰撞传感器系统,为汽车提供先进的乘员安全条件。

防盗系统

在汽车防盗系统中,也可以采用MEMS加速计。在这种情形下,加速计被用做倾斜计,感测汽车或摩托车相对于地面的倾斜度。当盗贼用拖车盗窃车辆时,加速计将检测到倾斜度的变化,从而让声音报警系统工作。

一般来说,3轴加速计的安装很方便,因此,防盗系统的MEMS传感器可以被安装在车辆中的任何位置。

头灯光线定向系统

在黑暗的条件下行车,汽车行驶的安全性依赖于汽车头灯光线的定向。

头灯光线要对准我们行驶的路面可能依赖于许多不同的外部条件,这些条件由路况以及车况两方面构成,路况信息包括是否沥青路面、转弯、上下坡、驾驶技能和经验等,而车况信息包括胎压、悬架、乘员数量、重量以及车辆平衡度等等。

驾驶员不必针对上述情况持续地调节头等光线的方向,这均是头等光线定向系统要完成的功能。

利用MEMS传感器,如加速计和陀螺仪,头等光线定向系统得以实现,从而开启汽车安全的新时代,它可以增强对路面和障碍物的照射,确保更为安全的驾驶状况。

乘员检测系统

在出现车辆与障碍物碰撞时,为了安全地拯救乘员的生命,要在座椅周围分布完整的气囊传感器。

因为瞬间碰撞可能是无法预知的,汽车电子系统应该确定谁以及是什么坐在乘员座位上。根据车内每一个乘员及其位置,乘员检测系统不仅仅要确定张开哪只气囊,而且更为重要的是确定气囊展开的力度,MEMS加速计增强了这种功能,它能够快速检测因碰撞力导致乘员被从座位上弹起来的情况。

主动安全系统

MEMS加速计以及陀螺仪是两种完全能够满足汽车主动安全系统要求的传感器。

一般来说,涉及车身控制的汽车主动安全系统包括:汽车翻滚控制、汽车防滑稳定性控制、防抱死系统、停车制动、胎压监测、悬架对车辆以及路况的自适应调节等系统。

MEMS传感器具有高精密度和准确性,占位空间非常小,能够与其它系统高度集成为一体,从而可以瞬间检测到那些功能系统发出的任何信息。

由于MEMS传感器在汽车安全系统创新中有着广泛的应用,众多系统厂家以及半导体公司跻身其中。据Yole Development统计,2006年十大MEMS器件制造商分别是:TI、惠普、博世、利盟、精工-爱普生、ST、佳能、飞思卡尔、ADI以及电装公司。可见,其中一半制造商与汽车有关。

汽车安全系统所采用的传感器正呈现由孤立的传感器朝着一体化模块的方向发展。相比之下,在半导体行业为摩尔定律是否仍然有效而争论不休之时,MEMS技术却推动着超越摩尔定律的变革,实现了更高水平的系统集成。目前,为汽车安全系统提供MEMS加速度以及陀螺仪传感器的公司主要包括:ST、Memsic、ADI、飞思卡尔、Bosch Sensortec以及VTI。

据Yole Development消息,全球范围内目前已经形成了以ST、IMT、索尼、APM、Micralyne、Dalsa半导体、ELMOS-SMI、Memstech、Colibrys、Silex、Memscap以及Tronic旗下Microsystems公司等构成的MEMS器件代工群体。因此,随着MEMS器件生态系统的成熟,汽车安全系统有望随着MEMS传感器技术的发展而迎来巨大机遇。

 


图2 汽车中高g值传感器的应用示意图
图片来源:Bosch

 


图3 配备翻滚检测功能的先进气囊采用了基于MEMS技术的惯性传感器(陀螺仪和低g值加速度传感器) 图片来源:Bosch

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