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一起了解MEMS传感器在汽车领域中的应用


  来源: 传感器专家网 时间:2020-06-08 编辑:仪器仪表WXF
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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、敏感元件集成设计、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。



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。


关键词:MEMS传感器 汽车领域 应用    浏览量:1078

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