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安全需求带动车用传感器市场发展 |
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| http://cn.newmaker.com
12/8/2009 12:48:00 PM
电子工程专辑
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汽车安全性是设计师面临的一大挑战，尤其是在今天，消费者对安全的定义不仅是车辆本身的安全可靠性，还体现在了那些能通过电子控制技术提供更多安全保障的辅助驾驶系统，这种需求的扩张带动了市场对一些传感IC的需求逐渐膨胀。
往日一些曾经作为豪华车高端配置的术语名词已经逐渐普及到中级车市场，如电子稳定控制(ESC)、电子助力转向系统(EPS)、刹车防抱死系统(ABS)、加速防滑控制系统(ASR)、轮胎压力监视系统(TPMS)、雷达测距等等，而在这些术语的背后，则隐藏着花样繁多的传感器技术。
惯性传感器
惯性传感器包括加速度传感器及陀螺仪等，主要用于安全气囊监测、翻转监测、ESC、GPS导航、防翻滚系统等。而MEMS技术的发展，更是使得惯性传感器更有效的用于包括汽车电子在内的多种电子产品中。例如，ESC系统就是MEMS惯性传感器市场最主要的增长推动力。在欧美一些国家，ESC系统已经成为车辆的标准部件，并且自2012年式开始，美国和欧盟要求销售的乘用车必须配备ESC。这一强制措施必将增加汽车市场对加速计和陀螺仪的需求量。
时下，在一辆功能齐全的汽车中会用到很多惯性传感器。在某些情况下，会用到多达15个轴的惯性传感器(加速度计和陀螺仪)。由于只有6个可能的机械自由度，显然这些传感器中有很多个是多余的。“造成这种情况的原因是，长久以来客户的每个系统都是从不同供应商那里购买的。但今天，惯性传感器组的概念将它们的信息发送给任何有需要的系统，成为许多汽车OEM的目标。”ADI公司大中华区汽车电子商务经理李防震表示。
除了当今许多汽车中使用的正面和侧面碰撞安全气囊，侧翻检测系统目前也在货车、皮卡以及SUV中普及开来，因为这些车辆发生侧翻的可能性更高。“ADI公司的iMEMS? 加速度计和陀螺仪可用于这些应用。在侧翻事件中，部署侧翻安全气囊能保护乘客安全。侧翻检测系统通过读取车辆的翻滚角度和翻滚速度来确定汽车是否处于侧翻的过程。如果确定发生侧翻，侧翻安全气囊将弹出以便保护乘客。”李防震指出。
对于使用加速度计的侧翻检测系统来说，最重要的性能参数是零g偏置和灵敏度稳定性。一般来说，假设可得到的最低减速度力(如在湿滑路面上)约为100mg(0.98m/s2)。因此，在汽车温度范围内零g偏移和灵敏度偏差的组合值一定不能超过100mg。李防震介绍道，ADI公司的ADXL iMEMS?加速计在汽车温度变化范围内具有16mg的零g偏移稳定性和0.3%的灵敏度漂移，是这类应用的理想之选。
高精度倾角测量功能是高度自动调节大灯、电子驻车制动器和坡路起步辅助(HSA)系统不可或缺的功能。意法半导体提供的AIS226DS是一款双轴共面加速器，测量精度高于两个独立传感器解决方案。该器件的最大量程为±6g，能可靠地分辨小于0.02度的细微倾角。此外，该公司前不久还推出了全系列单轴(偏航)和双轴(俯仰和滚转，俯仰和偏航)MEMS陀螺仪，提供的量程范围从30dps一直到6,000dps。
高深宽比制造工艺的发展提升了MEMS传感器的性能。飞思卡尔的MMA6222EG、MMA6255EG和MMA621010EG惯性传感器就基于高深宽比MEMS技术，该加速计的先进转换器设计增强了传感器偏移性能和超阻尼反应，从而有助于提高系统的可靠性以及对高频率、高振幅寄生震荡的抵抗力。这些器件能够帮助识别可能引发虚假弹出的安全气囊系统状况，诸如“砰”地一声关上车门，或者在汽车组装时的大幅震动。在汽车四周，安全气囊分布式传感系统包含两个ECU主惯性传感器和最多7个卫星传感器模块，感应前部以及侧向撞击。
强强联合也是该应用领域的一大特色，比如擅长MEMS加速度计和陀螺仪的ADI就与拥有完整安全气囊系统专用元器件的英飞凌联手打造汽车安全气囊系统，从而加快高级安全气囊系统的开发进度，并向汽车安全系统供应商和OEM提供完整的设计平台，以实现可靠、极具成本效益和简单易用的高级安全气囊解决方案。
随着产业发展，以MEMS技术为基础的微型化、多功能化、集成化、且智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。此外，“因为MEMS传感器在汽车应用中承担着‘关键任务’，汽车客户有一些独特或特殊的需求，其中包括：非常严格的质量控制、环境友好、高可靠性(用户比较喜欢采用一些老的技术，因为这些老的技术久经验证)、准时交货。”李防震透露。
其它车用传感器
TPMS是中国市场炒的比较火的一个概念，但迄今为止全球只有美国是强制实施TPMS法规的国家。自2007年9月后所有在美国销售的最大设计总质量不超过4536kg的四轮乘用车和商用车都必须安装TPMS。虽然TPMS在中国的呼声已经很久了，可是标准却一推再推，目前的应用仍仅限某些高端车型，不过这些，都没有阻止半导体厂商在该领域的巨大投入。
业界一致认为，未来TPMS发射模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。随着TPMS产品市场对IC高集成度和高可靠性的要求，目前已经有了将所需测试各物理量的MEMS传感器与MCU、RF三合一的新一代TPMS传感器模块。例如飞思卡尔的TPMS解决方案MPXY8300，就是由电容性压力传感元件、温度传感组件、MCU、RF、加速度传感器和具有唤醒功能的接口电路组成，所有这些集成在一块芯片上，并采用了飞思卡尔的超小型封装(SSoP)。超小的尺寸和增强型介质保护功能使得该方案特别适合在气门嘴或轮胎上安装。
随着分层控制理念的不断发展，对智能化的负载和传感器的需求会日益增多，而SoC类型的产品因其成本低、体积小的优点，正是适应这一发展方向的解决方案。英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子业务部高级市场工程师李世铭表示，“英飞凌的SP37新一代胎压监测系统(TPMS)单芯片解决方案就顺应了这一发展趋势，将控制器，传感单元、RF发射器、低频接收器和电源模块集成在一颗芯片里，达到汽车级芯片的要求。”
转向精度对于是汽车设计一个重要的考量，英飞凌成功地将巨磁电阻(GMR)效应融入半导体标准CMOS制造工艺。“在电动助力转向系统中，英飞凌基于集成型巨磁阻技术(iGMR)的传感器芯片组和基于线性霍耳技术的传感器芯片可以完美实现转向角度和力矩的感知。”李世铭表示。英飞凌的传感器可异常精确地测量0°到360°的转向角度，包含两个GMR全桥、一个温度传感器、两个模数转换器、数个稳压器、滤波器以及在运行过程中能连续监控这些组件的内部机制。传感器芯片TLE 5010具备两个数字角度分量——正弦函数和余弦函数。通过SPI接口连接传感器的8位微控制器利用这些分量计算实际的角度信号。
透射式传感器也被称为断续式传感器，内含一个面对面安装的红外发射器和检波器，二者之间有一个小缝隙，当有类似编码轮这样的物体通过发射器和检波器之间的缝隙时，就会将光束遮挡，传感器就能探测到是否有物体存在。Vishay的表面贴装透射式(断续式)光电传感器TCPT1300X01和TCUT1300X01，达到了+145℃的结温等级，-40℃～+125℃的工作温度范围和潮湿敏感度等级1(MSL1)。
雷达技术是设计创新的驾驶辅助系统、避免交通事故发生的关键所在。汽车的雷达系统可发出射频电磁波，这些电磁波遇到前面的车辆或其它物体可反射回来，雷达芯片负责发送和接收这些射频信号，并通过后台处理。后台数据评估结果可确定车辆与其它车辆的距离以及其它车辆的行驶速度。因此，当预测到要发生车辆相撞事故时，座椅头枕和安全带就会提前准备就绪，帮助降低事故造成的影响。与此同时，相同的信号也会发送至制动系统或安全气囊系统。英飞凌科技的雷达芯片RXN7740是适用于76-77GHz频率范围的高度集成前端芯片，包括振荡器功能块、功率放大器和4个适用于多个天线的混频器。与目前独立实现这些功能的雷达系统相比，可使厂商将雷达系统尺寸缩小四分之一，把无线射频模块的系统成本降低20%以上。
市场预测
曾有业界专家预测，“第三次主要的机器革命与传感器有关”。的确如此，传感器的应用，革新了人们的应用体验。虽然受经济下滑影响，汽车MEMS市场连续两年下降，但汽车行业当前的市场表现，使得众多分析机构纷纷认同：2011年汽车MEMS市场将重新恢复两位数的良性成长。
更好的消息是，中国政府曾于2009年03月20日出台《汽车产业调整和振兴规划》细则，提及1000万辆产销目标。而跟据中国汽车工业协会统计，今年三季度国产汽车产销量比去年同期大幅增加，仅前三季度国产汽车产销双超９６０万辆。这些都使得业界对车用传感器市场持积极态度。
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