一只輪胎引爆的汽車安全MEMS傳感器熱潮

　　下一代汽車安全系統(tǒng)傳感器有望是一種一體化的傳感器系統(tǒng)，它采用公共信號(hào)來操作多個(gè)系統(tǒng)。

　　因?yàn)榇嬖诒ル[患，2000年8月普瑞斯通公司宣布召回650萬條裝配于福特生產(chǎn)的SUV車上的輪胎，這一事件已經(jīng)促使美國政府立法，強(qiáng)制性要求自2007年9月起后出廠的每一臺(tái)輕型車均需安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)。此外，美國還宣布到2012年全部新車必須使用防側(cè)翻的“電子穩(wěn)定控制技術(shù)”，以減少每年因車輛側(cè)翻造成死亡的人數(shù)。    

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有117萬人因公路事故死亡，超過l,000萬人受傷或致殘，雖然目前只有美國采用了法律手段強(qiáng)制推廣，如何有效提高汽車安全系統(tǒng)的性能早已成為全球汽車模塊與整車制造商最為關(guān)心的話題。據(jù)市場(chǎng)研究公司BCCResearch預(yù)測(cè)，2012年全球汽車傳感器市場(chǎng)規(guī)模將從2007年的80億美元成長到135億美元，年復(fù)合成長率為10.8%。其中，對(duì)增強(qiáng)汽車安全性能的需求將強(qiáng)有力地推動(dòng)MEMS傳感器市場(chǎng)的持續(xù)增長。    

　　碰撞保護(hù)中的安全氣囊觸發(fā)控制

　　目前在汽車安全系統(tǒng)中最普遍的一個(gè)應(yīng)用就是利用高g值MEMS加速度傳感器進(jìn)行安全氣囊的觸發(fā)。當(dāng)車輛與障礙物碰撞時(shí)，乘坐者的安全維系于氣囊的及時(shí)展開，并朝著乘員的方向提供合適的緩沖作用力，利用MEMS加速計(jì)的高集成能力以及精度可以定義更為復(fù)雜的氣囊系統(tǒng)架構(gòu)，從而替代過去多個(gè)機(jī)電碰撞傳感器系統(tǒng)，為汽車提供更為先進(jìn)的安全保護(hù)。 

　　Assimakopoulos：開發(fā)MEMS設(shè)備要考慮FAB進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)際工藝，這是獲得高產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。

　　樓氏電子(KnowlesAcoustics)資深新事業(yè)發(fā)展處長AngeloAssimakopoulos表示：“MEMS加速度傳感器和陀螺儀都是市場(chǎng)需求量很大的產(chǎn)品。在汽車上安裝更多傳感器，從車廂的各個(gè)角度檢測(cè)撞擊力，可使氣囊觸發(fā)更加有效。這可提高對(duì)氣囊的控制，觸發(fā)得當(dāng)可以最大程度保證車內(nèi)乘客的安全。”    

　　在此基礎(chǔ)上，美國精量電子(MeasurementSpecialties)還新推出采用特有微熔技術(shù)的張力傳感器，通過對(duì)安全帶張力的檢測(cè)來進(jìn)一步控制氣囊釋放的程度。該公司中國市場(chǎng)與銷售部市場(chǎng)總監(jiān)陳振認(rèn)為，這將是新一代汽車安全帶控制的趨勢(shì)。除此之外，精量電子的加速度傳感器由于采用微阻尼MASE技術(shù)，避免了沒有阻尼的加速度傳感器噪音干擾，以及采用一般阻尼濾波后所帶來的采樣波型的失真，可以為汽車安全碰撞和假人的測(cè)試提供了更可靠的數(shù)據(jù)，因此還被廣泛使用于汽車安全碰撞測(cè)試。    

　　主動(dòng)安全系統(tǒng)提高行車穩(wěn)定性

　　一般來說，涉及車身控制的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)包括：汽車翻滾控制、汽車防滑穩(wěn)定性控制、防抱死系統(tǒng)、停車制動(dòng)、胎壓監(jiān)測(cè)、懸架對(duì)車輛以及路況的自適應(yīng)調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，而MEMS傳感器在主動(dòng)安全系統(tǒng)中起著主要作用。由于此類傳感器尺寸小、可靠性高，可將它們裝于汽車車架和懸架上，用于監(jiān)測(cè)汽車與地面的相對(duì)位置，允許汽車調(diào)整懸架以及在汽車突然轉(zhuǎn)向、天氣不佳或路面不平坦時(shí)提供最大程度的穩(wěn)定性。    

　　電子穩(wěn)定程序(ESP)是MEMS傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，該系統(tǒng)通過角度傳感器測(cè)量車輛的偏航率，并把它與轉(zhuǎn)向角和速度等參數(shù)進(jìn)行比較，可以檢測(cè)過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不夠這樣的行駛狀況，可以在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)或汽車突然轉(zhuǎn)向這類突發(fā)事件過程中監(jiān)測(cè)汽車的橫搖效應(yīng)，使汽車懸架可進(jìn)行調(diào)整，以保持對(duì)車身穩(wěn)定性的控制，達(dá)到防側(cè)翻的目的。    

　　陳振：通過擴(kuò)大市場(chǎng)占有率來降低產(chǎn)品成本是對(duì)我們最大的挑戰(zhàn)。

　　精量電子目前可以提供非接觸連續(xù)量燃油液位傳感器、節(jié)起門位置傳感器、方向盤角度傳感器等系列磁阻傳感器，該公司中國市場(chǎng)與銷售部市場(chǎng)總監(jiān)陳振表示，用磁阻傳感器的非接觸測(cè)量技術(shù)替代傳統(tǒng)的滑動(dòng)電位器技術(shù)是汽車角度位置傳感器發(fā)展的趨勢(shì)。該公司最近還推出一款微功耗氣壓傳感器，這款產(chǎn)品具有數(shù)子補(bǔ)償、放大處理、數(shù)字輸出，數(shù)據(jù)傳輸15比特，最高精度達(dá)0.05%，動(dòng)態(tài)最大功耗僅1Ua，非常適合于胎壓檢測(cè)應(yīng)用。    

　　新玩家和新應(yīng)用層出不窮

　　與消費(fèi)電子相比，汽車電子市場(chǎng)具有更長的生命周期、更大的利潤空間、更穩(wěn)定的出貨量，因此盡管門檻也更高，還是吸引了很多從消費(fèi)電子市場(chǎng)投奔而來的新進(jìn)入者。意法半導(dǎo)體(ST)亞太區(qū)模擬、功率及微機(jī)電系統(tǒng)事業(yè)部總監(jiān)PatrickBoulaud表示：“汽車電子應(yīng)用是我們2008年的重點(diǎn)市場(chǎng)， ST和很多歐洲汽車大廠都有合作，對(duì)汽車電子市場(chǎng)有著很好地了解，作為現(xiàn)有系統(tǒng)方案的衍生應(yīng)用，我們新一代的加速度傳感器將完全符合AEC-Q100等國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，充分確保汽車應(yīng)用中半導(dǎo)體器件的質(zhì)量、可靠性，并向著0PPM（零缺陷）的目標(biāo)邁進(jìn)。”據(jù)了解，這款新產(chǎn)品目前已有樣品，預(yù)計(jì)今年第三季就可以批量供貨。除此之外，ST未來還計(jì)劃針對(duì)油量控制等應(yīng)用推出壓力傳感器產(chǎn)品。    

　　他還強(qiáng)調(diào)說：“ST的MEMS傳感器在消費(fèi)電子市場(chǎng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，工藝上已十分成熟，我們有很好的ASIC設(shè)計(jì)開發(fā)能力，良率與可靠性的進(jìn)步也十分迅速，ST對(duì)于進(jìn)入汽車電子市場(chǎng)充滿信心。”    

　　與此同時(shí)，長期在汽車電子市場(chǎng)深耕的大佬們也在不斷拓展傳感器的新應(yīng)用。每年不少交通事故的產(chǎn)生是由于汽車前擋風(fēng)玻璃的結(jié)霧，精量電子為此提供一款特殊的汽車防霧傳感器，通過對(duì)擋風(fēng)玻璃溫度和廂體露點(diǎn)檢測(cè)，準(zhǔn)確的控制擋風(fēng)玻璃的結(jié)霧，據(jù)介紹，這款產(chǎn)品現(xiàn)已被世界絕大多數(shù)中高擋車所采用。    

　　MEMS黏度傳感器是另一款最新推出的產(chǎn)品。此類傳感器用于在汽車正常行駛時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部液體的黏度，通過監(jiān)測(cè)汽油和傳動(dòng)液的液體粘稠度，向司機(jī)提供反饋信息。此外，傳感器還能通過感應(yīng)軸承和機(jī)械軸的磨損狀況，監(jiān)控旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械噪音，同樣也可以向司機(jī)提供反饋，提醒汽車需要進(jìn)行適當(dāng)機(jī)械維護(hù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與行車安全。    

　　據(jù)陳振介紹，精量電子最新的油品傳感器現(xiàn)已推向柴油機(jī)市場(chǎng)。這種油品傳感器可同時(shí)測(cè)量機(jī)油粘度、密度、油品介電常數(shù)和溫度，解決了長期困繞的機(jī)油無法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的世界性難題，特別有助于重型卡車和工程車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)保護(hù)。    

　　除此之外，用于車與車之間感測(cè)的RFMEMS傳感器、以及跟CCD成像處理配合使用MEMS光學(xué)傳感器也有望在未來幾年出現(xiàn)。    

　　車用傳感器系統(tǒng)也“瘦身”

　　小型化不僅僅是消費(fèi)電子類器件的專利，在汽車電子領(lǐng)域，傳感器同樣面臨著“瘦身”。MEMS技術(shù)本身的一大進(jìn)步就是極大地縮小了傳感器的尺寸，更為重要的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于MEMS傳感器的模塊還可以進(jìn)一步集成各種信號(hào)調(diào)理技術(shù)，精量電子的陳振就表示：“我們最新的傳感器產(chǎn)品，已經(jīng)包含放大和數(shù)字輸出。這種技術(shù)革命，將是無止境的。”    

　　將同一類應(yīng)用需要的多種傳感器整合在同一模塊中，是未來傳感器的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。陳振舉例說：“為了控制大氣的污染，全世界各個(gè)國家都頒布了相應(yīng)的準(zhǔn)則來控制汽車的排放廢氣的標(biāo)準(zhǔn)。比如說現(xiàn)在施行的US02,US04,US07,Euro4and4.5,Euro5.降低NOx的排放。降低發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放，就要引進(jìn)一個(gè)重要的參數(shù)測(cè)量，那就是濕度值。精量電子最新推出了具有CAN總線輸出方式的濕度、壓力、溫度一體化的復(fù)合傳感器，為歐四發(fā)動(dòng)機(jī)的的尾氣排放控制，提供了重要手段。”ADI技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張松剛對(duì)此表示認(rèn)同，他補(bǔ)充說：“多種傳感器的整合還有助于進(jìn)一步降低成本。此外，通過wire實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)共享，還將有助于減少一部汽車中同類傳感器不必要的重復(fù)使用。”    

　　總體來看，安全、環(huán)保、節(jié)能、小型化和智能化是傳感器發(fā)展的方向，汽車傳感器在這些方面也會(huì)取得重大突破，下一代汽車安全系統(tǒng)傳感器有望是一種一體化的傳感器系統(tǒng)，它采用公共信號(hào)來操作多個(gè)系統(tǒng)，例如，一個(gè)加速度傳感器既為安全氣囊提供信號(hào)，也為車身控制系統(tǒng)提供信號(hào)。這種新型的傳感器系統(tǒng)將高度依賴于先進(jìn)的軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高汽車的安全性。    

　　IC與傳感器集成暫不可行

　　盡管MEMS一體化模塊是傳感器業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展大方向，但是對(duì)于將IC與傳感器進(jìn)一步整合的提議卻遭到普遍質(zhì)疑。樓氏電子的Assimakopoulos表示：“盡管表面上看處理器與傳感器集成很有意義，但對(duì)于終端產(chǎn)品卻有局限性(取決于應(yīng)用)。將傳感器和處理器分開，可以更靈活地與可選擇的IC組合使用。同樣，我認(rèn)為傳感器的應(yīng)用可以決定哪種情況更合適，是將傳感器與處理器集成，還是將二者分離？這取決于傳感器OEM，由他們決定哪種設(shè)計(jì)能使客戶的靈活性最大。”Assimakopoulos還指出，保持處理器和傳感器分離更有利于在生產(chǎn)過程中保持高產(chǎn)率。    

　　意法半導(dǎo)體的Boulaud也同意這一觀點(diǎn)，他說：“傳感器和ASI C處理器，一個(gè)是物理機(jī)械結(jié)構(gòu)，一個(gè)是電子結(jié)構(gòu)，二者采用完全不同的半導(dǎo)體工藝，放在一塊芯片上并不是一個(gè)很好的選擇。即使以前有的供應(yīng)商做過單芯片方案，現(xiàn)在也都轉(zhuǎn)做雙芯片了，市場(chǎng)選擇證明了單芯片方案的性價(jià)比競爭力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。加之MEMS產(chǎn)品的通用性不高，ST的雙芯片方案具有更好的靈活性。除此之外，盡管是雙芯片的方案，由于我們的產(chǎn)品采用了疊加的LGA封裝方式，目前最小尺寸僅為3×3×0.9mm,在體積方面同樣極具競爭力。”    

　　正確的設(shè)計(jì)是提高良率關(guān)鍵

　　開發(fā)MEMS傳感器的挑戰(zhàn)在于滿足器件供應(yīng)的市場(chǎng)對(duì)價(jià)格和性能的要求。MEMS研發(fā)和資本開銷巨大，MEMS的故障率較高，而良率較低是業(yè)界面臨的普遍性難題，Assimakopoulos認(rèn)為提高良率的關(guān)鍵是要在生產(chǎn)設(shè)計(jì)方面采取正確的方法。    

　　他說：“提高M(jìn)EMS器件的良率對(duì)于獲得最有效的生產(chǎn)成本模型非常重要。樓氏電子采用fabless商業(yè)模型，我們向合作供應(yīng)商們提供MEMS元器件設(shè)計(jì)，然后在我們自己的工廠完成封裝。在生產(chǎn)管理和MEMS器件設(shè)計(jì)過程中，深思熟慮、謹(jǐn)慎執(zhí)行是獲得高產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。我們經(jīng)常出現(xiàn)的情況是開發(fā)MEMS設(shè)備而不考慮FAB進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)際工藝，其實(shí)在開發(fā)的初始階段，這些問題就都應(yīng)想清楚，不能顧此失彼。”    

　　意法半導(dǎo)體的Boulaud還補(bǔ)充說：“MEMS從原理來講，是將機(jī)械結(jié)構(gòu)封裝在plastic里,因此在工藝上需要汽車控制模塊廠商的配合。MEMS是非標(biāo)準(zhǔn)通用產(chǎn)品，針對(duì)不同的具體應(yīng)用，ASIC的Re-Design算法補(bǔ)償也是不一樣的,因此目前僅少數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的大廠可以做到。”    

　　精量電子的陳振指出：“對(duì)整個(gè)MEMS行業(yè)而言，原材料的上漲和降低生產(chǎn)成本是一對(duì)矛盾，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競爭，我們必須不斷的推出具有最好性能，最優(yōu)價(jià)位的傳感器。通過擴(kuò)大市場(chǎng)占有率來降低產(chǎn)品成本是對(duì)我們最大的挑戰(zhàn)。”