MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體 集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，它開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。
采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器 、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控 、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
MEMS傳感器的設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用，相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器，它們的尺寸更小，基本是微納米級(jí)別。MEMS傳感器多采用以硅為主的材料， 電氣性能 優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類(lèi)似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類(lèi)似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)。
隨著新型半導(dǎo)體材料和MEMS加工工藝、敏感元件集成設(shè)計(jì)、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造 工藝的不斷突破，MEMS傳感器已經(jīng)衍生出眾多品種，其分類(lèi)方法很多。按其工作原理，MEMS傳感器可以分為物理型MEMS傳感器、化學(xué)型MEMS傳感器以及生物型MEMS傳感器三類(lèi)。
其中，物理型MEMS傳感器是汽車(chē)上采用得最為普遍的傳感器，主要應(yīng)用于安全系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)( ABS )、 發(fā)動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)、行車(chē)導(dǎo)航、車(chē)輛監(jiān)護(hù)和自診斷等方面。目前，車(chē)用MEMS傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為 壓力傳感器 、加速度計(jì)、微陀螺儀 、化學(xué)傳感器、 氣體傳感器 和 指紋識(shí)別傳感器等。
具體來(lái)說(shuō)，MEMS壓力傳感器可以用來(lái)測(cè)量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變 電阻 ，再以惠斯頓 電橋 方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度。
車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。而MEMS加速度計(jì)的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測(cè)質(zhì)量組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計(jì)還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計(jì)具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點(diǎn)，是目前MEMS微加速度計(jì)中的主流產(chǎn)品。
微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導(dǎo)航的 GPS 信號(hào)補(bǔ)償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)，主要有 振動(dòng) 式、轉(zhuǎn)子式等幾種。目前，應(yīng)用最多的屬于振動(dòng)陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來(lái)感測(cè)角速度。例如汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀測(cè)量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車(chē)輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道。通常，它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。
下面，我們一起來(lái)看看MEMS傳感器在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的十大應(yīng)用。
電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ESC）
電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ESC、Electric Stability Control） 是用于防止車(chē)輛在雨后濕滑的道路或彎曲路段處發(fā)生側(cè)滑的裝置。該裝置使用了Murata Electronics Oy （以下簡(jiǎn)稱(chēng)為MFI） 的加速度傳感器。
通常，僅靠ABS和牽引控制系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛在彎曲路段上的行車(chē)安全要求。該場(chǎng)合下電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ESC） 就能夠通過(guò)修正駕駛員操作中的轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度轉(zhuǎn)向，來(lái)控制車(chē)輛使其不偏離道路。該系統(tǒng)通過(guò)使用一個(gè)陀螺儀來(lái)測(cè)量車(chē)輛的偏航角，同時(shí)用一個(gè)低重力加速度傳感器來(lái)測(cè)量橫向加速度。將所得測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)行駛速度和車(chē)輪傾斜角兩項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而調(diào)整車(chē)輛轉(zhuǎn)向以防止發(fā)生側(cè)滑。
加速度傳感器通常會(huì)被獨(dú)立安裝在車(chē)輛重心附近，或作為傳感器組的一部分以貼裝組件的形式被安裝在印制電路板上。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍為±1.5～2.0g; 偏移量與溫度或使用時(shí)間無(wú)關(guān)，穩(wěn)定在100mg以下; 頻帶在0～50Hz范圍內(nèi)。電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ESC） 通常需要以車(chē)輛的橫向?yàn)闄z測(cè)軸，以確保在受到縱向加速度或車(chē)輛減速時(shí)，將影響控制在最小限度。將MFI的加速度傳感器安裝在印制電路板上時(shí)，可選擇兩種安裝方向，即檢測(cè)軸是與安裝面平行還是垂直。若使用的是獨(dú)立型加速度傳感器時(shí)，則需要根據(jù)安裝位置選用相應(yīng)的托架。
在全球范圍內(nèi)，有關(guān) ESC的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定工作正在積極推進(jìn)中。在聯(lián)合國(guó)“世界車(chē)輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇”“1998年協(xié)定書(shū)”的框架下，有關(guān)“輕型汽車(chē)電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)”全球技術(shù)法規(guī) （GTR） 于2008年制定完成并獲得WP29批準(zhǔn) （即GTR8） 。美國(guó)、歐美、日本、澳大利亞、韓國(guó)等在內(nèi)的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)或正在將ESC作為強(qiáng)制安裝的安全裝置。作為“1998年協(xié)定書(shū)”簽署國(guó)，中國(guó)從2007年開(kāi)始全面參與ESC全球技術(shù)法規(guī)的協(xié)調(diào)進(jìn)程，結(jié)合國(guó)內(nèi)ESC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽巳舾商岚福⒄谥贫ㄏ嚓P(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)（EPB）
EPB （電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，Electronic Parking Brake） 取代了傳統(tǒng)的基于機(jī)械杠桿和鏈條的駐車(chē)制動(dòng)裝置，為駕駛員提供了更有效的停車(chē)輔助。并且由于取消了主副駕駛位之間的駐車(chē)制動(dòng)桿，駕駛席周?chē)目臻g便能得到更有效的利用。EPB系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)體縱向的傾斜度不斷調(diào)整剎車(chē)力度。僅需按下儀表盤(pán)上相應(yīng)的按鈕，剎車(chē)就會(huì)被鎖定; 在車(chē)輛啟動(dòng)和加速時(shí)，剎車(chē)將自動(dòng)解鎖。
該系統(tǒng)還能夠?qū)Φ退贍恳隣顟B(tài)下的車(chē)輛進(jìn)行輔助控制，防止車(chē)輛在坡上自然下滑。該系統(tǒng)與距離傳感器系統(tǒng)信號(hào)對(duì)接后，甚至可以在狹窄區(qū)域內(nèi)完成平行停車(chē)。如果與發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)整合，便可形成一套最為可靠的防盜機(jī)制。該系統(tǒng)內(nèi)的傳感器實(shí)際測(cè)量起點(diǎn)通常是在±3°以?xún)?nèi); 對(duì)應(yīng)的重力加速度值大約為50mg.這剛好與車(chē)輛在整個(gè)使用壽命和溫度范圍內(nèi)的偏移穩(wěn)定性要求相吻合。系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的頻率范圍按要求盡量保持最低，上限不超過(guò)10-50Hz.
防抱死制動(dòng)系統(tǒng) （ABS）
在四輪驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛中，由于每個(gè)車(chē)輪都可能會(huì)打滑，所以ABS系統(tǒng)所需的車(chē)身速度和車(chē)輪速度參數(shù)無(wú)法通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量。因此車(chē)輛的加/減速度信息只能通過(guò)對(duì)前后方向加速度的測(cè)量來(lái)獲得。ABS系統(tǒng)的加速度傳感器除了能夠以獨(dú)立元件或集成在印制電路板上的形式裝入ABS控制器外，還能安裝在其他的傳感器類(lèi)中。
ABS系統(tǒng)使用的加速度傳感器的測(cè)量范圍通常在1～2G （G為重力加速度） 。在檢測(cè)溫度范圍和車(chē)輛使用壽命內(nèi)誤差偏移能夠始終低于100mg的狀態(tài)。該傳感器的檢測(cè)軸的方向必須為車(chē)輛的前后方向。Murata Electronics Oy的加速度傳感器可以滿(mǎn)足各種傳感器單元和印制電路板貼裝情況下的應(yīng)用。
電子控制式懸架系統(tǒng) （ECS）
電子控制式懸架系統(tǒng) （ECS） 的主要用途是根據(jù)行駛速度、路面狀況、轉(zhuǎn)向情況、變速狀態(tài)等信息以及不同的駕駛條件調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)，為駕駛者提供良好的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適度。ECS系統(tǒng)為用戶(hù)呈現(xiàn)從平穩(wěn)舒緩到高速暢快的多種駕駛體驗(yàn)。駕駛者僅需按下選擇按鈕就能在運(yùn)動(dòng)型、普通型和舒適型駕駛模式間自由切換。
ECS系統(tǒng)內(nèi)部的加速度傳感器可用于檢測(cè)車(chē)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)還用于檢測(cè)前輪垂直方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用于檢測(cè)車(chē)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)加速度傳感器被安裝在前減震器與彈簧頂部固定點(diǎn)附近。而靠近輪轂的加速度傳感器則是被裝在減震器和車(chē)輪彈簧附近區(qū)域。這樣一來(lái)，就能夠通過(guò)兩組傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出車(chē)體與車(chē)輪的垂直距離差。在更先進(jìn)的輪轂傳感器系統(tǒng)中，加速度傳感器則被距離傳感器替代，用于直接測(cè)量車(chē)輪與車(chē)體之間的距離。
另外，在許多ECS系統(tǒng)中，車(chē)輛的中部或后部還額外裝有一個(gè)用于檢測(cè)車(chē)輛顛簸的加速度傳感器。能夠略微消除車(chē)體在加速或減速時(shí)的傾斜。
空氣懸架系統(tǒng)如今被應(yīng)用于包括運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē) （SUV） 在內(nèi)的大多數(shù)中高檔、豪華型車(chē)輛。可通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)體邊角處氣罐內(nèi)的空氣體積來(lái)修正懸架設(shè)置。該系統(tǒng)通常包括1個(gè)特殊的氣體壓縮機(jī)，1到2個(gè)氣體儲(chǔ)備罐，4個(gè)由空氣彈簧和傳統(tǒng)減震器構(gòu)成的減震單元，2到5個(gè)獨(dú)立的加速度傳感器，以及電子控制單元 （ECU） 。由于空氣懸架系統(tǒng)對(duì)中小型車(chē)輛來(lái)說(shuō)較為昂貴，通常會(huì)使用以油取代空氣的懸架系統(tǒng)。盡管調(diào)節(jié)油量的系統(tǒng)價(jià)格較低，但是無(wú)法達(dá)到空氣式懸架系統(tǒng)的高效性和舒適度。油量的調(diào)節(jié)由特殊的電子閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)中會(huì)使用3到5個(gè)獨(dú)立的加速度傳感器。
防翻滾穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ARC）
作為車(chē)輛穩(wěn)定性控制的一部分，車(chē)輛防翻滾穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ARC） 通常被整合進(jìn)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) （ESC） 或懸架系統(tǒng)。防翻滾控制能夠在啟動(dòng)剎車(chē)裝置或平衡桿的異常動(dòng)作時(shí)，防止車(chē)體發(fā)生大幅度的搖晃。在將ARC系統(tǒng)整合到ESC系統(tǒng)中時(shí)，需要額外使用一個(gè)用于檢測(cè)車(chē)輛前后方向加速度的加速度傳感器 （測(cè)量范圍為1～2g） 。
當(dāng)該系統(tǒng)被用于SUV或越野車(chē)等車(chē)身整體較高或懸架位置較高的車(chē)輛時(shí)，有時(shí)也會(huì)被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。此時(shí)，需將一個(gè)獨(dú)立型傳感器安裝在車(chē)的頂部，另一個(gè)則裝在下方地板處相應(yīng)的位置。
引擎防震系統(tǒng)
引擎和變速箱的防震控制如今正吸引業(yè)內(nèi)人士越來(lái)越多的關(guān)注。其中一個(gè)重要的原因是新一代的引擎能夠在無(wú)需滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，通過(guò)關(guān)閉部分氣缸來(lái)節(jié)省燃料。
引擎中個(gè)別氣缸的關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致車(chē)體的震動(dòng)。并且相對(duì)引擎重量而言，車(chē)體重量正在變得越來(lái)越輕。特別對(duì)于柴油動(dòng)力的6氣缸或8氣缸引擎來(lái)說(shuō)，引擎的震動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛整體隨之震動(dòng)。而對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，汽油和電力引擎間的頻繁切換也會(huì)導(dǎo)致車(chē)體震動(dòng)，該情況在小型柴油混合動(dòng)力車(chē)中尤為突出。
應(yīng)對(duì)車(chē)體震動(dòng)的最新解決方案是主動(dòng)電子控制減震裝置。這些裝置在閉環(huán)控制系統(tǒng) （反饋控制系統(tǒng)） 中使用了加速度傳感器，并被裝在車(chē)體的各個(gè)重要部位。
上坡起步輔助系統(tǒng) （HSA）
HAS （Hill Start Assist） 是一個(gè)直接連接主剎車(chē)裝置和ESC系統(tǒng)的電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)車(chē)輛在坡上發(fā)動(dòng)時(shí)，它可以自動(dòng)控制制動(dòng)壓力以防止車(chē)輛向后自然下滑。
HAS系統(tǒng)需要使用高性能的傳感器來(lái)感應(yīng)車(chē)輛前后方向細(xì)微的傾斜，也就是道路的斜率。該系統(tǒng)對(duì)傳感器穩(wěn)定性的要求為在使用壽命和溫度范圍內(nèi)測(cè)量出的傾角誤差小于3° （換算為傳感器輸出值相當(dāng)于50mg） 。在汽車(chē)裝配時(shí)產(chǎn)生的所有“偏移誤差”，都可以在生產(chǎn)線最后的“偏移校準(zhǔn)”步驟中消除; 此外，還可通過(guò)電子穩(wěn)定性控制 （ESC） 系統(tǒng)內(nèi)的電子控制單元 （EUC） 所裝的軟件來(lái)對(duì)完成后的偏移信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。
心跳探測(cè)和先進(jìn)防盜系統(tǒng)
所謂心跳探測(cè)，是通過(guò)高靈敏度傳感器和精密的電腦軟件相互配合，從而在車(chē)輛已被上鎖等應(yīng)為空車(chē)狀態(tài)的情況下，探測(cè)車(chē)內(nèi)是否有人的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可被用于檢測(cè)由于父母疏忽而被留在車(chē)內(nèi)的兒童或藏匿于車(chē)內(nèi)的非法進(jìn)入者。車(chē)輛防盜裝置和引擎鎖定防盜裝置的原理是使用較為廉價(jià)的2軸加速度傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果與高精度的心跳探測(cè)傳感器相結(jié)合，就能構(gòu)成安全系數(shù)更高的先進(jìn)防盜系統(tǒng)。
翻滾傳感器 （ROV）
翻滾傳感器即側(cè)翻檢測(cè)傳感器，作為乘客保護(hù)系統(tǒng)的一部分被整合在安全氣囊控制系統(tǒng)中。所謂翻滾傳感器，具體來(lái)說(shuō)，是由1軸或2軸 （翻轉(zhuǎn)角和俯仰角） 角速度傳感器和加速度傳感器構(gòu)成的，用于檢測(cè)車(chē)輛Z軸方向也就是上下方向的角速度和加速度的傳感器。該系統(tǒng)中加速度傳感器的測(cè)量范圍基本上為3～5g,頻帶最大不超過(guò)400Hz,穩(wěn)定偏移約為300mg.
車(chē)胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)（TPMS)
將壓力傳感器應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的車(chē)胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在迅速推進(jìn)中。雖然該系統(tǒng)基本上是通過(guò)對(duì)胎內(nèi)氣壓的監(jiān)控點(diǎn)亮警告指示燈，但若能與各類(lèi)車(chē)輛安全系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就可以實(shí)現(xiàn)爆胎預(yù)警之外的許多極具吸引力的功能。當(dāng)車(chē)胎壓力不正常時(shí)，將有可能發(fā)生以下幾種問(wèn)題：
前胎氣壓過(guò)低將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不足，后胎氣壓過(guò)低將導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向。不論胎壓是不足還是過(guò)高，都會(huì)顯著縮短輪胎的使用壽命。當(dāng)輪胎壓力偏離最佳值0.4bar時(shí)，輪胎壽命將縮短30%; 胎壓不足的情況下，壓力每低0.6bar,就會(huì)額外增加4%的油耗。當(dāng)以超過(guò)100km/h的速度高速行駛時(shí)，一旦發(fā)生輪胎打滑的現(xiàn)象，輪胎就會(huì)脫離路面，這是十分危險(xiǎn)的。當(dāng)車(chē)胎壓力比正常值的50%還低時(shí)，即使使用了ABS系統(tǒng)，在濕滑路面以100km/h行駛的制動(dòng)距離也會(huì)增加10m.當(dāng)車(chē)胎壓力低于一定值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。不正常的車(chē)胎壓力將妨礙懸架系統(tǒng)的正常工作。
