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微型感测器使车辆变得更加智慧
 

【作者: Mark Patrick】2019年03月12日 星期二

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虽然许多感测元件都是基於矽,但有些功能只能透过机械元件来执行,而且最近这些机械元件已经小型化,以满足当下汽车应用需求。使用高阶的微制造技术,可以将电子零元件、感测器和高度小型化的机械元件添加到普通矽基板中。这些微机电系统(MEMS)为高度自动化的车辆开辟了许多新感测机会,同时能够提供高可靠性,减少占用空间并节省成本。


市场上有许多不同类型的MEMS感测器,它们通常分为四个主要类别:


· 运动侦测:加速度计和陀螺仪。


· 基於雷达进行物体侦测的射频感测器。


· 通用车载感测:包括车内温度和空气品质,用於道路视觉的红外感测和支援平视显示装置。


· 流量和压力感测。


简而言之,能够感测的越多,可以侦测和控制的也就越多。MEMS感测器在这里取得了重大进展,并且经常应用在车辆的各个部分,包括电子稳定系统(ESP)和防锁死煞车(ABS)系统以及自动悬吊系统和几种类型的自动驾驶员辅助系统(ADAS)等等。


MEMS感测器不仅有助於提高安全性,而且能够减少燃油消耗和排放,并可以提高驾驶员和乘客的舒适度。



图一 : 典型的MEMS感测器及其附带调理电路图。
图一 : 典型的MEMS感测器及其附带调理电路图。

运动侦测:加速度计和陀螺仪等

加速度计能够在车辆中实现许多功能,根据重力(g)力量测加速(和煞车)力,从中可以汇出其他叁数,例如速度或距离。一些MEMS加速度计使用压电效应,包含因车辆运动产生应力的微晶体结构,可产生比例式电压。业内也存在其它技术/选项,包括电容和热技术,设计人员需要为每种应用选择最隹方式。还需要考量许多其它因素,包括谐振频率、元件可靠性、元件稳定性、频宽和功耗等。


加速度计可量测线性运动,而陀螺仪感测器则量测角速度,单位为度/秒(。/ s),或者以每秒转数(rps)为单位,其中任何一个都给出旋转速度。陀螺仪的选择标准与加速度计类似,但也包括对电磁干扰(EMI)的敏感度考量,这可能对量测精度产生重大影响。


该技术最常见的应用之一是碰撞感测器,可侦测到车辆遭受到的重大冲击。基於MEMS惯性感测器(加速度计和陀螺仪)的感测模组能够持续侦测车辆加速度,如果超过预设??值,则微控制器(MCU)透过积分加速度值来运算速度差值。如果侦测到显着且快速的速度变化(线性或角度),则确定系统发生了碰撞并采取适当安全措施。


STMicroelectronics可提供AIS1120SX/AIS2120SX 系列3轴加速度计,并以低杂讯和高解析度量测以及各种节能运作模式(包括唤醒功能)而闻名。这些加速度感测器能够量测碰撞过程中通常遇到的高水准g力,可在延伸运作温度范围内提供完整的讯号幅度侦测。在需要最高整合度的场合,设计人员通常会在单个晶片中选择包含加速度计和陀螺仪的6轴iNEMO 组件。



图二 : STMicroelectronics AIS1120SX的功能方块图。
图二 : STMicroelectronics AIS1120SX的功能方块图。

Analog Devices 公司的ADXRS910是一款基於MEMS的陀螺仪,可以侦测车辆侧翻等更严重事件。该元件运作温度范围为-40℃至+ 105℃,包括一个板载温度感测器,可以补偿环境温度变化的影响,确保最高水准的稳定性。该元件采用3.3V或5V电源在20mA电流下运作,采用微型SOIC封装,能够进行量测±300。/秒的角速度,资料透过SPI介面传送到车辆系统的其馀部分。



图三 : ADXRS910的功能方块图。
图三 : ADXRS910的功能方块图。

压力和超音波量测

车辆仰仗各类液体正确安全地运作,包括汽油、引擎冷却液、引擎油、煞车液、清洗液等。为了保持安全运作,需要应用Melexis的MLX90819 MEMS压力感测器等元件来侦测液面水准。该元件使用人耳听不到的超音波来确定到液体表面之距离。转换器(transducers)安装在液体容器底部,能够反射超音波的元件则安放在液体表面。


透过使用一种名为飞行时间(ToF)的技术,可以对照高精准度的时间讯号来量测超音波从转换器行进到浮子并返回到接收器所花费的时间,该时间可以对应出到表面的距离,加之容器的截面积,可以精准地演算出液体的体积。随着液体温度变化,量测精度会受到影响,因此许多感测器都包括有温度感测元件,可用於补偿温度变化,从而在所有条件下都提供准确的资料读取。


使用类似超音波的技术也可用於确定管道中流动的液体速度。


MEMS等许多片上系统(SoC)解决方案都包括有高精度、整合的类比前端(AFE),可在10mm至1m量测范围内提供高达1mm的精度。其中一种元件是Texas Instruments的TDC1000,它针对超音波液位元量测和类似应用进行了优化。 TDC1000与合适的MCU一起使用,能够组建完整的超音波量测解决方案。



图四 : MLX90819的功能方块图。
图四 : MLX90819的功能方块图。

总结

MEMS技术在汽车领域的重要性日益增大,因为它可以量测许多不同叁数,增强车辆系统安全性,并提供更高的燃油经济性或舒适性等其它好处。伴随车辆迅速转向全自动化驾驶,MEMS装置将在确保车辆正确驾驶,最重要的是安全运作方面发挥关键作用。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


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