汽车传感器的应用及展望.doc

1、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The Research and Prospect on Applications of MEMS

2、 Sensor Technology in AutomotiveHUANG Junhui， YANG Xuzhi， CHEN Shuguan， LIAO Zhongwen（Department of Electronics and Information Engineering，Guangdong AIB Polytechnic CollegeGuangzhou 510507，China）Abstract： In order to meet the needs of automotive electronics and intelligence， an increasing number of

3、 MEMS （Micro ElectroMechanical System）sensors are applied to the car In this paper， the present application and the current research of several majorautomotive MEMS sensors are introduced， and the design flow of micro pressure sensor and accelerometer are studied Meanwhile，combine the characteristic

4、s of MEMS sensors and the requirements of vehicle sensors， a few suggestions and prospects on thedevelopment of the automotive MEMS sensors are offeredKeywords： micro electro mechanical system； MEMS sensor； 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

5、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 (Micro Electro Mechanical System ,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

6、 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 、

7、 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 M

8、EMS 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

9、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

10、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 、

11、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

12、 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&G IC Sensors 和 VTI

13、。 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

14、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

15、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

16、 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

17、品 物 理 效 应 应 用 举 例 ADI ADXL202 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&G IC Sensors 3255 压 阻 式 汽 车 安 全 气 囊 MEMSIC MXA2500 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

18、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

19、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 E

20、KF 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

21、 ， 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 。

22、 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

23、 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

24、 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

25、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

26、 ：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

27、 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

28、） 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

29、 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 合 理 性 的 验 证 提 供 了 依 据 ， 这 大大 减 少 了 设 计 所 用 的 时 间 。 因 此 ， 进 一 步 提 高 MEMS 传 感 器 的集 成 化 就 显 得 尤 为 重 要 。参 考 文 献 ：1 彭 珍 凤 ， 陈 杏 华 等 .农 村 秸 秆 处 理 和 资 源 化 利 用 技 术 现 状 与 发展 趋 势 J .农 业 装 备 技 术 .2009,35(2): 11 15.2 王 国 权 ,余 群 ,卜 云 龙 等 .

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