微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是通過(guò)使用先進(jìn)的微制造技術(shù)將機(jī)械器件、傳感器和電子組件部署在單個(gè)硅基板上而實(shí)現(xiàn)。如今，這些技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了汽車市場(chǎng)各種車型使用的大部分傳感裝置，并帶來(lái)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(dāng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

一般而言，汽車中使用的MEMS傳感器可分為四類：

加速度計(jì)和陀螺儀。

用于測(cè)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(jìn)行車內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量測(cè)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?yán)走_(dá)的射頻傳感器。

圖1：汽車傳感器的圖解。

在汽車系統(tǒng)中，通過(guò)MEMS傳感器可以得到影響汽車運(yùn)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(dòng)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(duì)汽車應(yīng)用，應(yīng)該注意的是當(dāng)代汽車在復(fù)雜性方面已經(jīng)有了很大的提高，包括集成數(shù)量越來(lái)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(fù)雜功能。

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圖2：典型的基于MEMS傳感器及其附帶信號(hào)調(diào)理電路圖。

加速度計(jì)和陀螺儀

加速度計(jì)的用途是測(cè)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(lái)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(shí)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(jì)工程師傾向于選擇電容式或熱微機(jī)電加速度計(jì)(thermal micro-electromechanical accelerometer)。但要為其應(yīng)用選擇合適的加速度計(jì)，需要考慮幾個(gè)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(jì)不同，陀螺儀傳感器測(cè)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(cè)量。在選擇陀螺儀時(shí)，必須考慮可靠性、工作溫度范圍以及對(duì)電磁干擾的潛在敏感性等等，由噪聲源引起的誤差可能會(huì)影響測(cè)量精度，并因此影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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(jì)和陀螺儀)組成，加速度計(jì)連續(xù)測(cè)量汽車的加速度，當(dāng)該參數(shù)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，微控制器單元(MCU)能夠計(jì)算出加速度的積分值，以確定是否發(fā)生了相當(dāng)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(jì)中，也可以使用角速度傳感器。

STMicroelectronics的AIS1120SX/AIS2120SX 三軸加速度計(jì)具有高測(cè)量分辨率和低噪聲水平，能夠提供不同的工作模式以實(shí)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(hào)幅度檢測(cè)范圍，以及擴(kuò)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(zhǔn)確部署。意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品組合還包括6軸iNEMO 系統(tǒng)，加速度計(jì)和陀螺儀傳感器都封裝在同一芯片內(nèi)。

圖3：STMicroelectronics AIS1120SX的框圖。

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(cè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件包含一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，用于補(bǔ)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(guò)SPI通信(最高10MHz)進(jìn)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)。

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圖4：ADXRS910的框圖。

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(dòng)機(jī)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(cè)當(dāng)前狀態(tài)或消耗水平。Melexis的MLX90819 MEMS壓力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電，可用于精準(zhǔn)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(dòng)機(jī)機(jī)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(dòng)器中的空氣壓力等等(見圖5)。

高頻超聲波人耳無(wú)法察覺到。在液位測(cè)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(hào)能夠連續(xù)傳輸。因此，通過(guò)測(cè)量聲波到達(dá)目標(biāo)，被反射和返回所需的時(shí)間，即術(shù)語(yǔ)飛行時(shí)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(shí)精確地計(jì)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(cè)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(dá)到1mm級(jí)別的檢測(cè)精度。德州儀器(TI)的TDC1000是一款完全集成的AFE，用于汽車市場(chǎng)中的超聲波液位測(cè)量、流體/濃度識(shí)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(cè)解決方案。

圖5：MLX90819的框圖。

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(chǎng)，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(jì)和其他器件對(duì)于提高道路行駛的安全性至關(guān)重要，并在即將到來(lái)的自動(dòng)駕駛中起重要作用。