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一只轮胎引爆的汽车安全MEMS传感器热潮

2008年09月23日 10:39:00 中国传动网

因为存在爆胎隐患,2000年8月普瑞斯通公司宣布召回650万条装配于福特生产的SUV车上的轮胎,这一事件已经促使美国政府立法,强制性要求自2007年9月起后出厂的每一台轻型车均需安装胎压监测系统(TPMS)。此外,美国还宣布到2012年全部新车必须使用防侧翻的“电子稳定控制技术”,以减少每年因车辆侧翻造成死亡的人数。 根据统计,全球每年约有117万人因公路事故死亡,超过l,000万人受伤或致残,虽然目前只有美国采用了法律手段强制推广,如何有效提高汽车安全系统的性能早已成为全球汽车模块与整车制造商最为关心的话题。据市场研究公司BCC Research预测,2012年全球汽车传感器市场规模将从2007年的80亿美元成长到135亿美元,年复合成长率为10.8%。其中,对增强汽车安全性能的需求将强有力地推动MEMS传感器市场的持续增长。 碰撞保护中的安全气囊触发控制 目前在汽车安全系统中最普遍的一个应用就是利用高g值MEMS加速度传感器进行安全气囊的触发。当车辆与障碍物碰撞时,乘坐者的安全维系于气囊的及时展开,并朝着乘员的方向提供合适的缓冲作用力,利用MEMS加速计的高集成能力以及精度可以定义更为复杂的气囊系统架构,从而替代过去多个机电碰撞传感器系统,为汽车提供更为先进的安全保护。 楼氏电子(Knowles Acoustics)资深新事业发展处长Angelo Assimakopoulos表示:“MEMS加速度传感器和陀螺仪都是市场需求量很大的产品。在汽车上安装更多传感器,从车厢的各个角度检测撞击力,可使气囊触发更加有效。这可提高对气囊的控制,触发得当可以最大程度保证车内乘客的安全。” 在此基础上,美国精量电子(Measurement Specialties)还新推出采用特有微熔技术的张力传感器,通过对安全带张力的检测来进一步控制气囊释放的程度。该公司中国市场与销售部市场总监陈振认为,这将是新一代汽车安全带控制的趋势。除此之外,精量电子的加速度传感器由于采用微阻尼MASE技术,避免了没有阻尼的加速度传感器噪音干扰,以及采用一般阻尼滤波后所带来的采样波型的失真,可以为汽车安全碰撞和假人的测试提供了更可靠的数据,因此还被广泛使用于汽车安全碰撞测试。 主动安全系统提高行车稳定性 一般来说,涉及车身控制的汽车主动安全系统包括:汽车翻滚控制、汽车防滑稳定性控制、防抱死系统、停车制动、胎压监测、悬架对车辆以及路况的自适应调节等系统,而MEMS传感器在主动安全系统中起着主要作用。由于此类传感器尺寸小、可靠性高,可将它们装于汽车车架和悬架上,用于监测汽车与地面的相对位置,允许汽车调整悬架以及在汽车突然转向、天气不佳或路面不平坦时提供最大程度的稳定性。 电子稳定程序(ESP)是MEMS传感器的一个重要应用领域,该系统通过角度传感器测量车辆的偏航率,并把它与转向角和速度等参数进行比较,可以检测过度转向或转向不够这样的行驶状况,可以在汽车转弯时或汽车突然转向这类突发事件过程中监测汽车的横摇效应,使汽车悬架可进行调整,以保持对车身稳定性的控制,达到防侧翻的目的。 精量电子目前可以提供非接触连续量燃油液位传感器、节起门位置传感器、方向盘角度传感器等系列磁阻传感器,该公司中国市场与销售部市场总监陈振表示,用磁阻传感器的非接触测量技术替代传统的滑动电位器技术是汽车角度位置传感器发展的趋势。该公司最近还推出一款微功耗气压传感器,这款产品具有数子补偿、放大处理、数字输出,数据传输15比特,最高精度达0.05%,动态最大功耗仅1Ua,非常适合于胎压检测应用。 新玩家和新应用层出不穷 与消费电子相比,汽车电子市场具有更长的生命周期、更大的利润空间、更稳定的出货量,因此尽管门槛也更高,还是吸引了很多从消费电子市场投奔而来的新进入者。意法半导体(ST)亚太区模拟、功率及微机电系统事业部总监Patrick Boulaud表示:“汽车电子应用是我们2008年的重点市场,ST和很多欧洲汽车大厂都有合作,对汽车电子市场有着很好地了解,作为现有系统方案的衍生应用,我们新一代的加速度传感器将完全符合AEC-Q100等国际标准认证,充分确保汽车应用中半导体器件的质量、可靠性,并向着0PPM(零缺陷)的目标迈进。”据了解,这款新产品目前已有样品,预计今年第三季就可以批量供货。除此之外,ST未来还计划针对油量控制等应用推出压力传感器产品。 他还强调说:“ST的MEMS传感器在消费电子市场积累了丰富的经验,工艺上已十分成熟,我们有很好的ASIC设计开发能力,良率与可靠性的进步也十分迅速,ST对于进入汽车电子市场充满信心。” 与此同时,长期在汽车电子市场深耕的大佬们也在不断拓展传感器的新应用。每年不少交通事故的产生是由于汽车前挡风玻璃的结雾,精量电子为此提供一款特殊的汽车防雾传感器,通过对挡风玻璃温度和厢体露点检测,准确的控制挡风玻璃的结雾,据介绍,这款产品现已被世界绝大多数中高挡车所采用。 MEMS黏度传感器是另一款最新推出的产品。此类传感器用于在汽车正常行驶时监控发动机内部液体的黏度,通过监测汽油和传动液的液体粘稠度,向司机提供反馈信息。此外,传感器还能通过感应轴承和机械轴的磨损状况,监控旋转部件的机械噪音,同样也可以向司机提供反馈,提醒汽车需要进行适当机械维护,提高发动机的寿命与行车安全。 据陈振介绍,精量电子最新的油品传感器现已推向柴油机市场。这种油品传感器可同时测量机油粘度、密度、油品介电常数和温度,解决了长期困绕的机油无法实时在线监测的世界性难题,特别有助于重型卡车和工程车辆的发动机实时保护。 除此之外,用于车与车之间感测的RF MEMS传感器、以及跟CCD成像处理配合使用MEMS光学传感器也有望在未来几年出现。 车用传感器系统也“瘦身” 小型化不仅仅是消费电子类器件的专利,在汽车电子领域,传感器同样面临着“瘦身”。MEMS技术本身的一大进步就是极大地缩小了传感器的尺寸,更为重要的是,随着技术的进步,基于MEMS传感器的模块还可以进一步集成各种信号调理技术,精量电子的陈振就表示:“我们最新的传感器产品,已经包含放大和数字输出。这种技术革命,将是无止境的。” 将同一类应用需要的多种传感器整合在同一模块中,是未来传感器的另一个发展趋势。陈振举例说:“为了控制大气的污染,全世界各个国家都颁布了相应的准则来控制汽车的排放废气的标准。比如说现在施行的US02, US04, US07, Euro 4 and 4.5,Euro5.降低NOx的排放。降低发动机的废气排放,就要引进一个重要的参数测量,那就是湿度值。精量电子最新推出了具有CAN总线输出方式的湿度、压力、温度一体化的复合传感器,为欧四发动机的的尾气排放控制,提供了重要手段。”ADI技术市场经理张松刚对此表示认同,他补充说:“多种传感器的整合还有助于进一步降低成本。此外,通过wire实现传感器的信号共享,还将有助于减少一部汽车中同类传感器不必要的重复使用。” 总体来看,安全、环保、节能、小型化和智能化是传感器发展的方向,汽车传感器在这些方面也会取得重大突破,下一代汽车安全系统传感器有望是一种一体化的传感器系统,它采用公共信号来操作多个系统,例如,一个加速度传感器既为安全气囊提供信号,也为车身控制系统提供信号。这种新型的传感器系统将高度依赖于先进的软件系统来实现,从而进一步提高汽车的安全性。 IC与传感器集成暂不可行 尽管MEMS一体化模块是传感器业界公认的发展大方向,但是对于将IC与传感器进一步整合的提议却遭到普遍质疑。楼氏电子的Assimakopoulos表示:“尽管表面上看处理器与传感器集成很有意义,但对于终端产品却有局限性(取决于应用)。将传感器和处理器分开,可以更灵活地与可选择的IC组合使用。同样,我认为传感器的应用可以决定哪种情况更合适,是将传感器与处理器集成,还是将二者分离?这取决于传感器OEM,由他们决定哪种设计能使客户的灵活性最大。” Assimakopoulos还指出,保持处理器和传感器分离更有利于在生产过程中保持高产率。 意法半导体的Boulaud也同意这一观点,他说:“传感器和ASIC处理器,一个是物理机械结构,一个是电子结构,二者采用完全不同的半导体工艺,放在一块芯片上并不是一个很好的选择。即使以前有的供应商做过单芯片方案,现在也都转做双芯片了,市场选择证明了单芯片方案的性价比竞争力还远远不够。加之MEMS产品的通用性不高,ST的双芯片方案具有更好的灵活性。除此之外,尽管是双芯片的方案,由于我们的产品采用了叠加的LGA封装方式,目前最小尺寸仅为3×3×0.9mm, 在体积方面同样极具竞争力。” 正确的设计是提高良率关键 开发MEMS传感器的挑战在于满足器件供应的市场对价格和性能的要求。MEMS研发和资本开销巨大,MEMS的故障率较高,而良率较低是业界面临的普遍性难题,Assimakopoulos认为提高良率的关键是要在生产设计方面采取正确的方法。 他说:“提高MEMS器件的良率对于获得最有效的生产成本模型非常重要。楼氏电子采用fabless商业模型,我们向合作供应商们提供MEMS元器件设计,然后在我们自己的工厂完成封装。在生产管理和MEMS器件设计过程中,深思熟虑、谨慎执行是获得高产率的关键因素。我们经常出现的情况是开发MEMS设备而不考虑FAB进行大规模生产的实际工艺,其实在开发的初始阶段,这些问题就都应想清楚,不能顾此失彼。 ” 意法半导体的Boulaud还补充说:“MEMS从原理来讲,是将机械结构封装在plastic里, 因此在工艺上需要汽车控制模块厂商的配合。MEMS是非标准通用产品,针对不同的具体应用,ASIC的Re-Design算法补偿也是不一样的, 因此目前仅少数有经验的大厂可以做到。” 精量电子的陈振指出:“对整个MEMS行业而言,原材料的上涨和降低生产成本是一对矛盾,面对激烈的市场竞争,我们必须不断的推出具有最好性能,最优价位的传感器。通过扩大市场占有率来降低产品成本是对我们最大的挑战。”

供稿:国际电子商情

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