將MEMS技術(shù)集成到下一代汽車安全功能中

傳感器技術(shù)徹底改變了汽車行業(yè)，在安全性、舒適性和自動(dòng)化方面取得了重大進(jìn)步。如今，車輛擁有利用精確傳感功能來增強(qiáng)駕駛員和乘客體驗(yàn)的系統(tǒng)，同時(shí)降低道路風(fēng)險(xiǎn)。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)處于這項(xiàng)創(chuàng)新的前沿，可提供現(xiàn)代汽車應(yīng)用所需的緊湊性、準(zhǔn)確性和可靠性。

支持 MEMS 的無線技術(shù)使汽車能夠共享有關(guān)交通狀況、潛在危險(xiǎn)和路線優(yōu)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而提高現(xiàn)代道路的安全性和效率。

基于 MEMS 的慣性測量單元 （IMU） 尤其值得注意。它們有效地解決了與大燈調(diào)平、導(dǎo)航和穩(wěn)定性控制相關(guān)的挑戰(zhàn)。它們能夠?qū)⒏呒?jí)傳感與低功耗相結(jié)合，這意味著產(chǎn)生的熱量更低，從而減少了熱管理需求。這使得 MEMS 傳感器在設(shè)計(jì)下一代汽車，尤其是電動(dòng)汽車時(shí)不可或缺。像 TDK 這樣的公司展示了廣泛的傳感器技術(shù)組合，包括 MEMS、霍爾效應(yīng)、隧道磁阻 （TMR）、高壓控制器 （HVC） 以及溫度和壓力傳感器，如何為不斷變化的汽車需求提供全面的解決方案。

了解 MEMS 傳感器及其優(yōu)勢

MEMS 傳感器是緊湊、高精度的器件，可將機(jī)械和電子元件集成到單個(gè)硅芯片上。這種單芯片方法減少了互連的數(shù)量，最大限度地降低了功耗，并提高了整體系統(tǒng)性能，使 MEMS 傳感器特別適合現(xiàn)代汽車應(yīng)用。

MEMS 傳感器的核心由微小的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，例如懸臂、隔膜或懸浮質(zhì)量，使用類似于半導(dǎo)體制造中使用的微細(xì)加工技術(shù)制造。這些結(jié)構(gòu)與外力相互作用，產(chǎn)生由集成電子電路處理的信號(hào)。例如，在基于 MEMS 的慣性傳感器（如加速度計(jì)和陀螺儀）中，懸浮質(zhì)量會(huì)響應(yīng)加速度或旋轉(zhuǎn)力而移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)改變傳感器內(nèi)的電容或電阻，然后將其轉(zhuǎn)換為代表檢測到的運(yùn)動(dòng)的電輸出。使用先進(jìn)的微納加工技術(shù)可確保 MEMS 器件高度一致、可靠，并且能夠以相對較低的成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

MEMS 傳感器可測量各種物理現(xiàn)象，包括加速度、角速度、壓力和溫度。MEMS 加速度計(jì)檢測線性運(yùn)動(dòng)，對于穩(wěn)定性控制、碰撞檢測、安全氣囊和導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要。同時(shí)，MEMS 陀螺儀測量角速度和旋轉(zhuǎn)，這使得它們對于電子穩(wěn)定控制、大燈調(diào)平、翻車檢測和慣性導(dǎo)航至關(guān)重要。此外，MEMS 溫度傳感器有助于監(jiān)測電力電子和電池系統(tǒng)中的熱狀況。不同類型的傳感器通常集成到多傳感器系統(tǒng)中，例如慣性測量單元 （IMU），其中加速度計(jì)、陀螺儀，有時(shí)還有磁力計(jì)協(xié)同工作，以提供高精度的運(yùn)動(dòng)傳感。

與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)相比，MEMS 傳感器具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢。它們的體積小、重量輕，可輕松集成到各種汽車系統(tǒng)中，包括安全氣囊等安全關(guān)鍵功能以及穩(wěn)定性控制等駕駛員輔助技術(shù)。它們能夠使用半導(dǎo)體制造工藝制造，使其能夠與其他電子元件高度集成，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的傳感器融合應(yīng)用，其中來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)可以組合在一起，以提高準(zhǔn)確性和可靠性。

MEMS 傳感器還非常堅(jiān)固耐用，能夠承受汽車環(huán)境中常見的機(jī)械沖擊和振動(dòng)。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器不同，傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器通常包含容易磨損的較大運(yùn)動(dòng)部件，而 MEMS 傳感器則較少，容易受到物理降解的影響，有助于延長其使用壽命。此外，MEMS 傳感器具有卓越的靈敏度和精度，與許多傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，可提供更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的分辨率。這種精度對于實(shí)時(shí)汽車應(yīng)用（如電子穩(wěn)定控制和車道保持輔助）尤為重要。

成本效益是 MEMS 傳感器的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。由于它們是使用半導(dǎo)體制造技術(shù)生產(chǎn)的，因此可以以比傳統(tǒng)機(jī)械或光學(xué)傳感器更低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)。這種可擴(kuò)展性使其在經(jīng)濟(jì)上可行，可在汽車行業(yè)廣泛使用，從入門級(jí)車輛到高端車型。此外，MEMS 傳感器的功耗明顯低于許多傳統(tǒng)傳感器技術(shù)，使其成為現(xiàn)代汽車的理想選擇，因?yàn)楝F(xiàn)代汽車的能源效率是主要設(shè)計(jì)考慮因素。它們能夠以最低的能耗提供高性能的傳感，支持低功耗汽車電子產(chǎn)品的增長趨勢。

問題：大燈調(diào)整不正確

MEMS 技術(shù)展示其價(jià)值的一個(gè)領(lǐng)域是解決前照燈調(diào)整不正確的問題。未對準(zhǔn)的大燈會(huì)使迎面而來的司機(jī)眼花繚亂，降低能見度，并增加事故風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)問題在承載重物或在崎嶇地形上行駛的車輛中尤為普遍，因?yàn)檐囕v的角度變化和大燈無法相應(yīng)地調(diào)整。

除了直接的安全問題外，法規(guī)還要求自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)確保正確的光束對準(zhǔn)，這意味著不合規(guī)可能會(huì)導(dǎo)致汽車制造商和車主受到處罰。例如，日本已經(jīng)制定了一個(gè)時(shí)間表，要求新車型集成前照燈調(diào)平系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問題，前照燈必須動(dòng)態(tài)適應(yīng)車輛傾斜和傾斜的變化，確保它們有效地照亮道路，同時(shí)最大限度地減少對迎面而來的車輛的眩光。

解決方案：用于前照燈調(diào)平的基于 MEMS 的 IMU

基于 MEMS 的 IMU 通過提供對車輛方向的精確實(shí)時(shí)傳感來解決這個(gè)問題。這些傳感器可檢測車輛傾斜和不平坦的地形狀況，從而自動(dòng)調(diào)整大燈對準(zhǔn)。例如，專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的 IMU 可以測量車輛相對于重力的精確角度，從而允許前照燈控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整光束方向。

MEMS IMU 傳感器通過檢測車輛傾斜角度來自動(dòng)調(diào)整前照燈光束，確保在不同地形條件下提供最佳道路照明。

這種實(shí)時(shí)調(diào)整可確保前照燈始終聚焦在道路上，從而提高駕駛員的能見度，同時(shí)防止對其他道路使用者造成眩光。基于 MEMS 的 IMU 設(shè)計(jì)緊湊，有助于無縫集成到車輛中，因此特別適合這種應(yīng)用。此外，前照燈在高溫環(huán)境中工作，而 MEMS 傳感器（例如用于自適應(yīng)照明系統(tǒng)的傳感器）必須在溫度波動(dòng)的情況下保持出色的精度。MEMS 傳感器（例如 TDK 的傳感器）設(shè)計(jì)具有出色的溫度穩(wěn)定性，即使在極端熱條件下也能確保可靠的性能和精確的測量。IMU 的低功耗不會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的熱量，這意味著對冷卻系統(tǒng)的壓力較小，組件的熱降解也較少。

MEMS 傳感器更廣泛的汽車應(yīng)用

除了前照燈調(diào)平之外，MEMS 傳感器在許多汽車系統(tǒng)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，增強(qiáng)了安全關(guān)鍵和非安全關(guān)鍵應(yīng)用。

在安全關(guān)鍵型系統(tǒng)中，MEMS 傳感器通過檢測 IMU 的翻車，在安全氣囊展開中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，當(dāng)即將發(fā)生翻車時(shí)，IMU 會(huì)觸發(fā)安全帶預(yù)緊器和安全氣囊激活。同時(shí)，加速度計(jì)識(shí)別碰撞，確保安全氣囊在正確的時(shí)間精確展開，以最大限度地保護(hù)乘客。MEMS 傳感器也是電子穩(wěn)定控制 （ESC） 系統(tǒng)不可或缺的一部分，它們持續(xù)監(jiān)測車輛的運(yùn)動(dòng)。通過檢測打滑，ESC 系統(tǒng)可以選擇性地對單個(gè)車輪施加制動(dòng)，有助于在急轉(zhuǎn)彎或突然機(jī)動(dòng)時(shí)保持車輛穩(wěn)定性。隨著車輛采用攝像頭系統(tǒng)，通過將 MEMS 傳感器集成到這些系統(tǒng)中，穩(wěn)定性也得到了增強(qiáng)。

在非安全應(yīng)用中，MEMS 傳感器通過提供補(bǔ)充 GNSS 信號(hào)的數(shù)據(jù)來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，特別是在衛(wèi)星覆蓋范圍較差的區(qū)域，例如隧道、城市峽谷或停車場。GNSS 根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)確定位置，而基于 MEMS 的 IMU 獨(dú)立跟蹤運(yùn)動(dòng)和方向，即使 GNSS 信號(hào)較弱或丟失，導(dǎo)航系統(tǒng)也能估計(jì)車輛的位置。通過將 IMU 數(shù)據(jù)與 GNSS 輸入融合，現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)可以為駕駛員提供更平穩(wěn)、更準(zhǔn)確的定位，從而提高逐向?qū)Ш?、自?dòng)駕駛車輛定位和航位推算應(yīng)用的性能。

它們還用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS） 中，以檢測和提醒駕駛員胎壓過低，從而提高燃油效率和安全性。此外，MEMS 技術(shù)在信息娛樂系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的人機(jī)界面 （HMI），其中超聲波 MEMS 傳感器允許駕駛員通過直觀的手勢識(shí)別來控制各種功能。與跟蹤運(yùn)動(dòng)和方向的 IMU 不同，超聲波 MEMS 設(shè)備通過測量反射聲波的變化來檢測手勢。例如，駕駛員可以揮手來調(diào)節(jié)音量，滑動(dòng)來更改廣播電臺(tái)，或者旋轉(zhuǎn)手指來瀏覽菜單，所有這些都無需將視線從道路上移開。這些應(yīng)用證明了 MEMS 傳感器在滿足各種汽車需求方面的多功能性。

更廣泛的汽車傳感器生態(tài)系統(tǒng)中的 MEMS 傳感器

MEMS 傳感器是支持現(xiàn)代汽車系統(tǒng)的更廣泛傳感技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。除了基于 MEMS 的慣性傳感器外，汽車行業(yè)還依賴于各種其他 MEMS 技術(shù)，包括壓力傳感器、溫度傳感器和麥克風(fēng)，用于車內(nèi)語音識(shí)別和主動(dòng)降噪。除了 MEMS 之外，車輛還集成了磁傳感器，例如霍爾效應(yīng)和隧道磁阻 （TMR） 傳感器，以及用于電源管理的高壓控制器和各種有助于安全、性能和效率的環(huán)境傳感器。

利用 MEMS 技術(shù)推動(dòng)汽車創(chuàng)新

MEMS 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展不斷突破汽車設(shè)計(jì)的可能性。硬件和軟件集成的進(jìn)步使 MEMS 傳感器能夠提供更高的精度和可靠性，滿足汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求。例如，增強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理算法使 MEMS 傳感器能夠通過降低噪聲、補(bǔ)償環(huán)境變化和提高傳感器融合能力來提供更精確的測量。先進(jìn)的濾波技術(shù)，如卡爾曼濾波和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的傳感器融合，能夠更準(zhǔn)確地解釋原始傳感器數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)電子穩(wěn)定控制、慣性導(dǎo)航和自適應(yīng)前照燈等應(yīng)用。此外，自校準(zhǔn)算法通過調(diào)整漂移和環(huán)境隨時(shí)間的變化，幫助 MEMS 傳感器保持長期精度。

制造工藝的創(chuàng)新不斷增強(qiáng) MEMS 傳感器在惡劣汽車條件下的耐用性和性能。先進(jìn)的晶圓級(jí)封裝技術(shù)可保護(hù) MEMS 結(jié)構(gòu)免受機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)和污染，從而確保長期可靠性。改進(jìn)的鍵合方法，如硅通孔 （TSV），可增強(qiáng)電氣性能，同時(shí)減小傳感器尺寸并保持結(jié)構(gòu)完整性。此外，溫度補(bǔ)償機(jī)制集成到 MEMS 設(shè)計(jì)中，確保在極端溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，這對于動(dòng)力總成監(jiān)控和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 等應(yīng)用至關(guān)重要。這些進(jìn)步使 MEMS 傳感器能夠在各種汽車環(huán)境中提供始終如一的高性能。

隨著汽車制造商越來越多地采用電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車，預(yù)計(jì)對節(jié)能和高可靠性傳感器的需求將不斷增長，使 MEMS 技術(shù)成為未來汽車創(chuàng)新的基石。

總結(jié)

MEMS 技術(shù)已成為現(xiàn)代汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵，推動(dòng)了安全性、性能和駕駛員便利性的改進(jìn)。從解決前照燈調(diào)平的關(guān)鍵問題到增強(qiáng)導(dǎo)航和穩(wěn)定性控制，MEMS 傳感器可提供當(dāng)今先進(jìn)車輛所需的精度和可靠性。

雖然 MEMS 傳感器是汽車創(chuàng)新拼圖的關(guān)鍵部分，但它們與其他傳感技術(shù)的集成（以 TDK 的產(chǎn)品組合為例）確保了滿足行業(yè)不斷變化的需求的全面方法。隨著工程師和設(shè)計(jì)師努力創(chuàng)造更安全、更智能的汽車，MEMS 技術(shù)將繼續(xù)走在前沿，提供應(yīng)對復(fù)雜挑戰(zhàn)所需的性能和多功能性。