用于智能汽车的高性能MEMS传感器

作者：贸泽电子Mark Patrick

微机电系统（MEMS）技术是通过使用先进的微制造技术将机械器件、传感器和电子组件部署在单个硅基板上而实现。如今，这些技术已经逐渐取代了汽车市场各种车型使用的大部分传感装置，并带来系统在降低成本、持续可靠性（由于固有的稳健性）、空间利用（由于其紧凑的尺寸）以及工作性能等方面相当大的设计优势。

一般而言，汽车中使用的MEMS传感器可分为四类：

• 加速度计和陀螺仪。

• 用于测量流量和压力的传感器。

• 用于车载应用的传感器，包括可改善和监控道路视觉的红外传感器，进行车内温度和空气质量测量的传感器，以及用于平视显示器的微型扫描仪等。

• 用于汽车雷达的射频传感器。

图1：汽车传感器的图解。

在汽车系统中，通过MEMS传感器可以得到影响汽车运行的许多关键参数，并能够创建较为广泛的控制解决方案。MEMS传感器可应用于安全气囊、防抱死制动系统（ABS）和电子稳定程序（ESP）控制系统、电子控制悬架系统以及众多的驾驶辅助功能。

特别针对汽车应用，应该注意的是当代汽车在复杂性方面已经有了很大的提高，包括集成数量越来越多的安全设备，降低油耗和抑制有害气体的排放，提高驾驶舒适性等复杂功能。

图2：典型的基于MEMS传感器及其附带信号调理电路图。

加速度计和陀螺仪

加速度计的用途是测量以重力（G）为单位的加速度值。MEMS器件在具有高噪声源的应用中能够提供高精度。一些器件使用压电（piezoelectric）效应来确定加速度值，这些器件包含微晶体结构，在有加速度力时产生应力，继而产生相应的AC/DC电压。在大多数情况下，设计工程师倾向于选择电容式或热微机电加速度计（thermal micro-electromechanical accelerometer）。但要为其应用选择合适的加速度计，需要考虑几个重要的变量，其中包括传感器结构、谐振、可靠性、稳定性、带宽和功耗等等。

与加速度计不同，陀螺仪传感器测量的是角速度，其单位是每秒度数（°/ s）或每秒转数（rps），角速度仅仅是转速的测量。在选择陀螺仪时，必须考虑可靠性、工作温度范围以及对电磁干扰的潜在敏感性等等，由噪声源引起的误差可能会影响测量精度，并因此影响系统设计。

用于安全气囊控制的碰撞传感器是汽车系统中最经典的应用。它主要由MEMS惯性传感器（加速度计和陀螺仪）组成，加速度计连续测量汽车的加速度，当该参数超过预定阈值时，微控制器单元（MCU）能够计算出加速度的积分值，以确定是否发生了相当大的速度变化。安全气囊中通常采用单/双轴加速度传感器，在某些设计中，也可以使用角速度传感器。

STMicroelectronics的AIS1120SX/AIS2120SX 三轴加速度计具有高测量分辨率和低噪声水平，能够提供不同的工作模式以实现节省能源、系统唤醒等智能功能。这些高G加速度传感器具有完整的信号幅度检测范围，以及扩展的工作温度范围（图3），适用于汽车安全系统中的安全气囊准确部署。意法半导体的产品组合还包括6轴iNEMO 系统，加速度计和陀螺仪传感器都封装在同一芯片内。

图3：STMicroelectronics AIS1120SX的框图。

ADXRS910是ADI公司基于MEMS技术的陀螺仪，它专为汽车侧翻检测应用而设计。该器件包含一个内部温度传感器，用于补偿失调和灵敏度性能，在- 40℃～+ 105℃的温度范围内具有非常高的稳定性。该陀螺仪可提供±300°/s的完整范围，可通过SPI通信（最高10MHz）进行数据读取。它采用SOIC封装，工作电压为3.3V和5V，工作电流小于20mA（见图4）。

图4：ADXRS910的框图。

压力和超声波

在汽车系统中，存在不同类型的流体（燃料，发动机油，冷却剂，清洗液等），这些流体需要使用非侵入性且安全可靠的方法监测当前状态或消耗水平。Melexis的MLX90819 MEMS压力传感器采用标准5V电源供电，可用于精准确定各种应用中的流体压力水平，其中包括监控发动机机油、变速箱油和汽车燃油油位、空调系统的冷却液，以及重型汽车制动器中的空气压力等等（见图5）。

高频超声波人耳无法察觉到。在液位测量应用中，反射超声波的单元漂浮在液体表面，传感器安装在容器底部，信号能够连续传输。因此，通过测量声波到达目标，被反射和返回所需的时间，即术语飞行时间（ToF），可以确定液位水平。为了提高超声波传感器的精度，通常引入温度传感器，以便能够在温度变化时精确地计算超声波的速度。超声波还可用于执行流体速度的精确测量。用于汽车的SoC解决方案具有集成的模拟前端（AFE），可替代传统的分立解决方案，在10mm至1m的范围内，可以达到1mm级别的检测精度。德州仪器（TI）的TDC1000是一款完全集成的AFE，用于汽车市场中的超声波液位测量、流体/浓度识别和接近等应用。与MCU结合使用，可以构成完整的超声波检测解决方案。

图5：MLX90819的框图。

结论

MEMS技术的许多最重要应用都是在要求更苛刻的汽车市场，这种技术能够降低成本，并提高汽车性能。很明显，基于MEMS的压力传感器、加速度计和其他器件对于提高道路行驶的安全性至关重要，并在即将到来的自动驾驶中起重要作用。