当前，微机电系统（MEMS）传感器已被大多数汽车工程师视为尖端技术或边缘技术，以寻求提高性能、降低成本并增强家用轿车的可靠性。实际上，在过去的十年中，汽车中已经使用了数亿个MEMS传感器。
MEMS惯性传感器
但是，MEMS传感器中的许多传感器（例如MEMS压力传感器）只是用更便宜、更可靠的设备替代了旧技术，相比之下，MEMS惯性传感器实现了许多理想的功能，这些功能在当今的汽车中越来越普遍。据了解，惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元)、AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。
在本文中，我们将研究汽车MEMS惯性传感器的应用，描述它们的工作原理，并讨论如何利用MEMS传感器来实现更大的应用改进。许多应用程序你可能很熟悉，因为它们已经在汽车中无处不在；一些应用程序（通常是最有趣的）虽然只出现在高端机型中，但未来注定会成为标准设备。
一、安全气囊控制的碰撞感测
用于安全气囊控制的碰撞感测是惯性MEMS传感器在汽车上最大的应用。在这种应用中，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，微控制器计算加速度的积分（即曲线下的面积），以确定速度是否发生了较大的净变化。如果有的话，安全气囊就会被引爆，发射前安全气囊的决定必须在几十毫秒内做出，由于车门比方向盘或仪表板更靠近乘员，因此必须更快地决定是否启用侧气囊。
大约15或20年前，当安全气囊首次出现在汽车中时，安全气囊控制模块的制造商就依赖于分布在整个汽车中的g个开关（惯性开关，它由装在圆柱形外壳中的触点、球和弹簧组成）。这些开关没有提供有关所感测到的加速度性质的大量信息，它们只是提供开/关信号，告诉你加速度高于或低于阈值。因此，一个简单的中控台安全气囊控制模块需要几个开关（通常是3到7个）来确定加速度是路面不平还是撞车的结果。而且更糟糕的是，由于其触点g开关的可靠性、所需的长寿命以及高昂成本，因此将它们连接到整个汽车的多个位置增加了成本，降低了可靠性。
而将MEMS加速度计引入安全气囊控制模块实际上消除了将g开关用作安全气囊模块中的主要加速度传感器的麻烦，由于MEMS加速度计读取连续（模拟）测量值，因此可以在中央控制台中用一个MEMS设备替换g开关。随之而来的可靠性提高和安全气囊系统价格的下降有助于使其在汽车中普及。更重要的是，MEMS加速度计可以执行可靠的自检，从而使安全气囊模块处理器可以确定传感器的数据是否可靠或者是否必须对安全气囊模块进行维修。
MEMS加速度计通常控制侧面安全气囊。由于必须迅速做出火灾决定，因此没有时间等待传感器信号通过汽车底盘的传播，因此必须将卫星放置在它所控制的安全气囊附近。此外，由于冲击和加速度计之间实际上没有挤压区，因此测量范围必须在中控台加速度计上方。结果，许多配备有侧面安全气囊的车辆可能会为此增加两到四个MEMS加速度计。
某些车型上还增加了位于前保险杠后面的前视碰撞传感器，以帮助确定正面碰撞的严重性。将前视传感器的加速度信号与中控台加速度计的加速度信号进行比较，从而使安全气囊模块控制器可以调节安全气囊的充气速度，使其与汽车的减速速度匹配。在此，高g范围和紧凑尺寸也是该应用中的重要因素。
二、车辆动态控制（VDC）
车辆动态控制（VDC）系统可帮助驾驶员在汽车开始打滑时重新获得对汽车的控制，如果VDC正常工作，驾驶员甚至可能不知道系统干预了。
VDC系统由一个陀螺仪、一个低重力加速度计和每个车轮处的车轮转速传感器组成（ABS也可以使用车轮转速传感器）。测量车轮转速，并将汽车的预测偏航（或转向）速度与陀螺仪测得的速度进行比较。低重力加速度计还用于确定汽车是否在横向滑动，如果测得的横摆速度与计算出的横摆速度不同，或者检测到横向滑动，则可以使用单轮制动或减小扭矩来使汽车恢复原状。
在MEMS陀螺仪和加速度计出现之前，普通乘用车的VDC是不切实际的，常规的陀螺仪和加速度计将使汽车成本增加数千美元。事实上，用旋转质量和应变计制造的传统陀螺仪可能不够坚固，无法满足汽车市场10年以上的运行要求，即使是MEMS陀螺仪也几乎不能胜任这项任务。
典型的MEMS陀螺仪使用石英音叉，音叉的振动以及施加的角度旋转（汽车的偏航率）在音叉上产生科里奥利加速度，安装在音叉上的加速计或应变计测量微小的科里奥利力。
信号输出与音叉大小成正比。为了产生足够强的输出信号，音叉必须剧烈振动，最好用高Q结构来完成这个任务。制造商经常把音叉放在真空中，以尽量减少音叉周围空气的机械阻尼，因为高Q结构可能相当脆弱。
由于陀螺仪必须牢固地连接到汽车上才能准确地测量偏航率，因此陀螺仪经常会遭受冲击和振动。这种机械噪声可以将信号引入科里奥利传感器加速度计，该信号比音叉产生的科里奥利信号高几个数量级。将信号与噪声分开并不容易，通常，冲击或振动会使电路饱和，并使陀螺仪的输出在短时间内不可靠（这解释了为什么VDC警告灯偶尔会无故亮起的原因）。
传统的MEMS陀螺仪通常体积庞大（100cm3或更大的情况并不少见）。这部分是由于添加了机械式防振架的缘故，该防振架的安装可将对外部振动的敏感性降至最低。
不过，新型MEMS器件避免了这些缺点。例如，ADI公司的iMEMS陀螺仪为7x7x3mm（0.15 cm3），它不是使用石英，而是使用了共振多晶硅梁结构，该结构创建了向角速度显示时产生科里奥利力的速度元素。在与共振运动正交的多晶硅梁的外边缘，电容式加速度计测量科里奥利力。陀螺仪具有两组反相的光束，彼此相邻放置，并且它们的输出被差分读取，从而减弱了外部振动灵敏度。
三、侧翻检测
很少有车辆具有侧翻检测系统，但是汽车制造商正在迅速采用此功能。对于货车、皮卡车和运动型多用途车尤其如此，由于它们的重心较高，它们更容易翻倒。这些侧翻检测系统系统读取车辆的侧倾角和侧倾率，以确定车辆是否倾翻，如果是，系统将触发侧帘安全气囊以保护乘员。
侧翻检测系统使用陀螺仪读取翻车率。对侧倾率进行积分以确定车辆的侧倾角，但是仅侧倾率数据不足以预测车辆是否（或将要）侧翻。还需要使用加速度计读取垂直加速度（Z轴），因为在倾斜曲线中可能会遇到较大的侧倾角，而不会发生侧翻。
许多翻车检测系统都使用第二个加速度计来测量横向加速度（Y轴）。如果汽车侧滑，则在畅通无阻的情况下翻倒的可能性较小，但是，如果碰到路缘石或其他物体，翻车的机会就会大大增加。侧面碰撞检测加速度计通常无法执行此任务，因为侧面滑动时的加速度幅度接近用于侧面碰撞检测的典型> 100 g范围的本底噪声。低g范围的双轴加速度计最适合读取Y和Z轴的加速度。
用于侧翻检测系统的陀螺仪不需要与VDC系统中使用的陀螺仪相同的分辨率，因为侧翻速率几乎高出半个数量级，但它们必须具有出色的外部冲击和振动抑制能力。汽车撞到另一辆汽车或静止的物体后立即翻身是很正常的，冲击事件发生后短时间内输出不可靠的陀螺仪几乎没有用。
四、防盗系统
一种比较流行的偷车方法是简单地将其拖走。为了应对这种威胁，许多汽车制造商（尤其是欧洲制造商）都加入了带有倾斜检测系统的防盗系统。泛欧规范要求公认的倾斜检测系统能够在3分钟内测量3°的倾斜变化（即每秒0.016°的倾斜率）。
大型电解液倾斜传感器具有此应用所需的灵敏度，但在许多其他领域却不足，它们的倾斜范围是有限的，因此可以将汽车停在大于传感器可以承受的倾角的位置。此外，液体倾角传感器在广泛变化的汽车温度环境中表现不佳。而低g 值MEMS传感器是该应用的理想选择。
五、电子驻车制动系统
当你电子启动驻车制动器时，你通常会相当有力地拉动（或踩下踏板，则将其推入）它，而不考虑需要多少制动力。结果，传统的驻车制动器必须被大大地增加。
按下按钮可激活电子驻车制动系统，该系统测量车辆的倾斜度，确定需要多少制动力并施加。这减轻了制造商必须过度构建制动系统的负担，并允许使用诸如自动驻车制动器的功能（一旦系统确定汽车在停车和静止时，就会施加驻车制动器）。
再次使用低重力加速度计，性能要求类似于防盗系统，在某些情况下，单个传感器可以为两个系统提供倾斜数据。
六、车辆导航系统
车辆导航系统正在迅速成为美国豪华汽车的标准功能，在日本，2001年售出的汽车中有一半以上装有导航系统。
全球定位系统（GPS）是导航系统的基本组成部分，但是仅GPS信息不足以进行导航。GPS可以告诉你的位置（位置和高度），但不能告诉你所面对的方向。磁力计（电子罗盘）不可靠，因为它们被附近的大型黑色金属物体（例如，在下一车道装满废金属的卡车）弄糊涂了。
首次启动时，导航系统依赖于指南针和GPS信息，行进方向与地图数据匹配，使系统在方向方面更具确定性。一旦确定了初始方向，陀螺仪信息将用于确定汽车何时旋转以及旋转了多少，直到可以通过地图匹配验证方向数据为止。
在城市环境中，GPS信号在短时间内被高楼大厦或隧道遮挡的情况并不少见。在这些时候，导航系统依靠陀螺仪获取航向信息，并依靠低重力加速度计获取位置信息，加速度信号被积分两次以得出位置（此技术称为航位推算）。
七、传感器集群
如今，全功能汽车中使用了许多惯性传感器。
在某些情况下，每辆车最多有15个惯性传感器轴（加速度计和陀螺仪）。但是，为什么制造商不将每个传感器用于多种功能？主要原因是迄今为止没有人具有将所有功能集成到一个系统中的专业知识或兴趣。制造商常常认为安全系统的惯性传感器信号超出了外部功能的范围，因为担心会因为另一个子系统（例如导航系统）将总线降下而丢失碰撞传感器信号。
尽管如此，许多汽车OEM仍采用使用惯性传感器群集将信息发送到任何系统需要的概念。在这种配置中，六自由度惯性测量单元（IMU）位于汽车的中央。所有惯性辅助系统（例如，防盗、VDC、电子驻车制动器和导航系统）都使用IMU信号，并且该单元还可以将信息传递给安全气囊控制单元，仍将单独的独立加速度计放置在汽车周围的位置以进行碰撞感测。某些应用程序的“接近崩溃区域”需求是必需的。
惯性传感器集群概念的一个附带好处是，由于惯性信息是免费提供的，因此可以以很少的额外成本开发新功能，设计人员要做的就是添加一些智能。
总而言之，汽车的惯性MEMS含量是巨大且不断增长的，随着这些传感器功能的增强，设计人员正在寻找更多用途来提高汽车的安全性和可靠性。如今，制造商主要使用惯性MEMS传感器来实现安全功能（例如安全气囊控制），但是性能和便利性应用正迅速成为一个主要市场。
来源：传感器专家网
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发表于 2021-11-14 07:44:15
