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MEMS传感器技术在汽车上的应用研究与展望班级：B100303学号：B10030324姓名：刘鹏宇MEMS传感器技术在汽车上的应用研究与展望摘要：为了满足汽车电子化、智能化的需要，越来越多的MEMS（微机电系统）传感器应用到汽车上。本文对主要的几种汽车MEMS传感器的应用状况和研究现状进行简述，并且对压力传感器和微加速度计的设计缺陷进行研究。同时，结合MEMS传感器的特点和车载传感器的要求，对汽车MEMS传感器的发展提出几点建议和展望。关键词：微机电系统；MEMS传感器；汽车；综述TheResearchandProspectonApplicationsofMEMSSensorTechnologyinAutomotiveHUANGJun－hui，YANGXu－zhi，CHENShu－guan，LIAOZhong－wen（DepartmentofElectronicsandInformationEngineering，GuangdongAIBPolytechnicCollegeGuangzhou510507，China）Abstract：Inordertomeettheneedsofautomotiveelectronicsandintelligence，anincreasingnumberofMEMS（MicroElectroMechanicalSystem）sensorsareappliedtothecar．Inthispaper，thepresentapplicationandthecurrentresearchofseveralmajorautomotiveMEMSsensorsareintroduced，andthedesignflowofmicropressuresensorandaccelerometerarestudied．Meanwhile，combinethecharacteristicsofMEMSsensorsandtherequirementsofvehiclesensors，afewsuggestionsandprospectsonthedevelopmentoftheautomotiveMEMSsensorsareoffered．Keywords：microelectromechanicalsystem；MEMSsensor；automotive；summarize一、引言近年来，随着汽车电子化、智能化和轻型化程度的不断提高，汽车产业对传感器的需求量也越来越大。同时，汽车传感器作为信号转换和获取装置，对汽车安全性、经济性、舒适性等性能的影响也越来越重要微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)将微电子技术和精密机械加工技术融合在一起实现微电子与机械系统的一体化。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。MEMS传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。根据NEXUS在2009年的市场研究知，汽车上采用的传感器中大约1/3传感器采用的是MEMS传感器,并且汽车越高级，采用的MEMS传感器越多。目前，MEMS传感器主要有压力传感器、微加速度计、微机械陀螺、静电电机、磁力矩器、电池、多路转换开关和矩阵开关等。汽车上的MEMS传感器主要应用于发动机运行管理、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统、车辆监护和自诊断等方面。二MEMS传感器在汽车上的应用MEMS传感器按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、生物MEMS传感器。物理MEMS传感器是汽车上采用得最为普遍的传感器，基本上在汽车电子控制的各个方面都有涉及：化学MEMS传感器主要是指测量汽车系统中气体成分的气体传感器：生物MEMS传感器更多的应用于预测驾驶疲劳等汽车行驶安全领域。1汽车MEMS压力传感器汽车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，主要在农业装备与车辆工程用于测量气囊贮气压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力、TPMS(轮胎压力监测系统)等。目前，可以提供汽车MEMS压力传感器的有美国凯乐尔、特种测量、SSI、菲尔科、德州仪器、德国Bosch、日本电装等公司。关荣锋等采用波纹膜片隔离技术设计了一种新型的MEMS机油压力传感器，在温度为-40～125℃,量程为0.6MPa的工作条件下,测量精度优于1.5%。郭源生等采用单岛膜结构及其数学模型设计并制作了汽车轮胎压力专用传感器IC芯片，具备宽泛量程与功能兼顾。李礼夫等基于芯片MAX1450设计轮胎气压检测调理电路，实时监测轮胎气压，具有减小传感器误差，提高测量精度等特点。针对压力传感器的温漂存在零点温漂、灵敏度温漂等现象，关荣锋等采用恒流激励条下压力传感器的批量温度补偿的方法对压力传感器进行温度补偿，补偿后零点温漂0.004%-0.015%FSO/℃,灵敏度温漂为0.0035%-0.024%FSO/℃,取得了良好的补偿效果。2汽车MEMS微加速度计基于不同的物理效应，MEMS微加速度计有电容式、压阻式、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微加速度计具有灵敏度高、温度影响极小等特点,是目前MEMS微加速度计设计的主流。MEMS微加速度计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。汽车中典型MEMS微加速度计产品如表1所示。目前，汽车MEMS微加速度计的生产公司主要有ST、MEMSIC、ADI、飞思卡尔、BOSCH、EG&GICSensors和VTI。楚晓飞将飞思卡尔公司的硅电容微机械加速度计MMA2204D应用到汽车安全气囊，取得了较好的应用效果。李国峰采用MEMS加速度传感器实现手势识别的智能输入系统，该系统原型机可较好地实现鼠标的全部功能和部分设定的键盘功能，并具有很好的扩展性，可以广泛应用于中高档车型中。张士钰等选用低成本的MEMS加速度传感器，基于卡尔曼滤波的GPS/DR组合导航算法，研制出在GPS信号受阻情下,DR单独定位仍可以提供满足要求的定位信息的城市车辆导航仪器。王贞等采用MEMS加速度计芯片DXL330和SPCE061A芯片采集驾驶员头部数据，通过处理器进行疲劳检测，设计疲劳驾驶预警系统，结构简单、成本低廉。车载微加速度计处在高温、高压及微粒污染较严重的状态下工作，容易导致工作实效，雷昕等人总结了微加速度计的典型环境失效机理，并将典型的环境载荷情况与失效机理进行了对比分析；从现有的微电子可靠性试验标准中选取了针对不同环境失效机理的试验方法，并对其适用性问题进行了讨论。考虑到车载加速度计由于受到车辆振动的影响，其输出信号包含很多来自外界干扰源的噪声，张士钰等选取db6小波基,采用heursure准则和软阈值滤波方法对加速度计信号进行了降噪处理。飞思卡尔公司生产的MMA6700/1EG加速度计基于高深宽比微机电系统（HARMEMS）技术，实现了较好的降噪和预防高频率、高振幅寄生振动，适合应用在汽车上。3汽车MEMS微机械陀螺微机械陀螺主要有振动式、转子式等几种。汽车中典型MEMS微加速度计产品公司代表产品物理效应应用举例ADIADXL202电容式汽车俯仰侧倾姿态检测飞思卡尔MMAS40G电容式汽车撞击检测EG&GICSensors3255压阻式汽车安全气囊MEMSICMXA2500热对流式汽车ABS典型的MEMS压力传感器管芯结构和电目前，国外研制最多的是振动式微陀螺仪，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。微机械陀螺主要用于汽车导航的GPS信号补偿、汽车底盘控制系统和安全主动系统。目前，汽车MEMS微机械陀螺的生产公司主要有ADI、BEI、Amagasaki、飞思卡尔等。微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在这种系统主要安装于高端汽车上。针对微机械陀螺存在漂移的现象，高宗余利用三轴MEMS加速度计的输出判断载体运动状态，采用EKF滤波算法对其状态进行估计，并在滤波算法中应用加速度计和磁强计组合计算所得姿态信息作为对陀螺漂移的补偿，最后通过数据融合修正其姿态角,得到一种可以在载体运动情况下补偿陀螺漂移的姿态确定方法[16]。李仁等选用AD公司生产的MEMS微机械陀螺ADIS1635卡，采用尔曼滤波以后，MEMS陀螺仪随机漂移误差得到了很大程度的抑制，MEMS陀螺仪测量数据的Allan方差和标准方差都有了显著改善。4汽车MEMS化学传感器用在汽车上的MEMS化学传感器主要指气体浓度传感器，用来测试汽车系统氧气、二氧化碳、氢气的浓度。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以使空燃比收敛于理论值。汽车上采用的氧传感器一般都是基于敏感材料吸附原理的气体传感器，比如：金属氧化物中的氧化铬、氧化锗、二氧化钛、二氧化锆等。汽车中氧传感器的工作原理是，在理想的空燃比附近，氧传感器输出电压发生骤变,当空燃比变高,废气中的氧浓度增加时,氧传感器的输出电压减小；当空燃比变低,废气中的氧浓度降低时,氧传感器的输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号,对喷油量进行修正,从而相应地调节空燃比,使其在理想空燃比附近变动。王浩宇等选用MEMS热导传感器TCS208F，设计了一种高精度、高灵敏度，并有效地抑制了各种类型的噪声干扰的高性能气体浓度检测系统，可有效应用于汽车发动机排气系统中CO和H2的浓度。5汽车MEMS生物传感器汽车上的MEMS生物传感器包括电化学生物传感器和指纹识别传感器，主要用于汽车的个性化舒适控制和防盗系统。目前，对汽车MEMS生物传感器的研制投入并不多见，也未形成产业化。但考虑到生物传感器具备选择性好、灵敏度高分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测等诸多优点，结合现在的微机电技术以及信息技术，生物传感器朝着智能化、集成化、微型化的方向发展，这些技术特点势必会为生物传感器广泛地应用于汽车产品本身和智能交通管理提供契机。三、汽车MEMS传感器的应用展望随着汽车传感器的迅速发展和对MEMS技术研究的深入，基于MEMS技术的汽车传感器具有广阔的应用前景。但如何充分发挥MEMS技术优势，更好、更全面地为汽车产品服务，需要在以下几方面进行改进：1）改进设计、降低成本就目前的MEMS传感器在汽车产品的应用范围不难发现，MEMS传感器主要应用于中高档轿车，归结原因是MEMS传感器的成本偏高。据报道，汽车传感器的50%的成本花在了校准和测试上，因此，需要对传感器的设计进行创新。目前，汽车MEMS传感器设计需要克服的问题主要有两个方面：一是，由于MEMS技术引入，对传感器的相应设计规则带来的变化；二是，MEMS执行器方面存在的问题。2）提高汽车MEMS传感器的集成化宝马汽车公司生产的BMW740i汽车上有70多只MEMS传感器，并且随着汽车产品的升级和人们对汽车产品性能要求的日益提高，MEMS传感器还将越来越多地被应用到汽车上，数量如此之多的MEMS传感器，势必会给安装和数据采集带来困难。3）提高汽车MEMS传感器的可靠性MEMS传感器在军事与商业应用中的一个主要问题便是可靠性试验方法尚未标准化，许多机构质疑这些元件的适用性和可靠性。结合MEMS传感器的固有特点和车载传感器的工作环境，提高MEMS传感器的可靠性，才能更广泛地应用于汽车产品上。四结论用UG对整机进行了虚拟设计和整体装配，将机具的整体结构布局直观地体现出来，给设计带来了方便。对捡拾器的运动学和动力学仿真分析，为其设计