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摘要：本文试图让从事汽车电子系统设计的工程经理以及工程师概要了解MEMS传感器在汽车安全系统设计创新中的应用，全球主要MEMS传感器系统制造商和半导体公司，从而了解产业发展的现状和趋势。
关键词：汽车安全；传感器；MEMS；主动安全
在撰写本文之时，正是全球半导体行业发展陷入低迷之时，新一轮的产业整合在所难免。然而，说起汽车安全这个话题，也许给半导体行业带来的永远是春天的感觉吧。根据Frost&Sullivan的分析，从全球范围看，汽车安全技术呈现下列趋势：
全球主要市场对于主动及被动安全系统的需求将以6.4％的年复合增长率成长，预计到2012年将达到262亿美元的市场规模；
日本是当今最大的主动安全系统的市场，预计欧洲将在2010年后赶上；
预期到2010年，汽车稳定系统将继续占据主动安全系统市场的大头，安全警告与信息系统市场有望取得长足发展；
汽车被动安全市场将停滞，然而，在地区市场中各种新兴技术有望获得发展机会；
在汽车安全领域，欧洲和日本以技术推动法规的制定，北美以法规推动技术的发展；
下一代汽车安全系统可能采用传感器熔接技术来增强道路安全性；安全以及驾驶员辅助系统将逐渐向中级车以及SUV渗透；
Frost&Sullivan公司分析师PrashanthVenkatesh表示，对增强汽车安全性能的需求将推动MEMS传感器市场的持续增长。本文试图让从事汽车电子系统设计的工程经理以及工程师概要了解MEMS传感器在汽车安全系统设计创新中的应用，全球主要MEMS传感器系统制造商和半导体公司，从而了解产业发展的现状和趋势。
哪些汽车安全系统要使用MEMS传感器?
目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包含50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中，大约1/3的传感器采用的是MEMS传感器。图1给出了NEXUS对汽车MEMS传感器市场的调查结果。
MEMS传感器在汽车安全系统中的应用包括下列主要的系统：
智能气囊系统
当车辆发生碰撞时，乘员的安全维系于气囊的及时展开，它必须在恰到好处的时间点张开，并朝着乘员的方向提供合适的作用力。
尽管对于乘员及其运动的监测可以由位于座椅上的MEMS加速计系统来监测，但是，在车辆中的安全气囊系统可以被安装在不同的地方，因此，要判断多个信息，如：识别碰撞的类型、方向、重力影响等等，这样才能保证气囊系统做出明确和专注的反应。
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，从而替代多个机电碰撞传感器系统，为汽车提供先进的乘员安全条件。
防盗系统
在汽车防盗系统中，也可以采用MEMS加速计。在这种情形下，加速计被用做倾斜计，感测汽车或摩托车相对于地面的倾斜度。当盗贼用拖车盗窃车辆时，加速计将检测到倾斜度的变化，从而让声音报警系统工作。
一般来说，3轴加速计的安装很方便，因此，防盗系统的MEMS传感器可以被安装在车辆中的任何位置。
头灯光线定向系统
在黑暗的条件下行车，汽车行驶的安全性依赖于汽车头灯光线的定向。
头灯光线要对准我们行驶的路面可能依赖于许多不同的外部条件，这些条件由路况以及车况两方面构成，路况信息包括是否沥青路面、转弯、上下坡、驾驶技能和经验等，而车况信息包括胎压、悬架、乘员数量、重量以及车辆平衡度等等。
驾驶员不必针对上述情况持续地调节头等光线的方向，这均是头等光线定向系统要完成的功能。
利用MEMS传感器，如加速计和陀螺仪，头等光线定向系统得以实现，从而开启汽车安全的新时代，它可以增强对路面和障碍物的照射，确保更为安全的驾驶状况。
乘员检测系统
在出现车辆与障碍物碰撞时，为了安全地拯救乘员的生命，要在座椅周围分布完整的气囊传感器。
因为瞬间碰撞可能是无法预知的，汽车电子系统应该确定谁以及是什么坐在乘员座位上。根据车内每一个乘员及其位置，乘员检测系统不仅仅要确定张开哪只气囊，而且更为重要的是确定气囊展开的力度，MEMS加速计增强了这种功能，它能够快速检测因碰撞力导致乘员被从座位上弹起来的情况。
主动安全系统
MEMS加速计以及陀螺仪是两种完全能够满足汽车主动安全系统要求的传感器。
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。
MEMS传感器具有高精密度和准确性，占位空间非常小，能够与其它系统高度集成为一体，从而可以瞬间检测到那些功能系统发出的任何信息。
由于MEMS传感器在汽车安全系统创新中有着广泛的应用，众多系统厂家以及半导体公司跻身其中。据Yole Development统计，2006年十大MEMS器件制造商分别是：TI、惠普、博世、利盟、精工一爱普生、ST、佳能、飞思卡尔、ADI以及电装公司。可见，其中一半制造商与汽车有关。
汽车安全系统所采用的传感器正呈现由孤立的传感器朝着一体化模块的方向发展。相比之下，在半导体行业为摩尔定律是否仍然有效而争论不休之时，MEMS技术却推动着超越摩尔定律的变革，实现了更高水平的系统集成。目前，为汽车安全系统提供MEMS加速度以及陀螺仪传感器的公司主要包括：ST、Memsic、ADI、飞思卡尔、Bosch Sensortec以及VTI。
据Yole Development消息，全球范围内目前已经形成了以ST、IMT、索尼、APM、Micralyne、Dalsa半导体、ELMOS-SMI、Memstech、Colibrys、Silex、Memscap以及Tronic旗下Microsystems公司等构成的MEMS器件代工群体。因此，随着MEMS器件生态系统的成熟，汽车安全系统有望随着MEMS传感器技术的发展而迎来巨大机遇。
汽车安全系统创新实例及传感器技术趋势
在电控车身系统、动力总成系统、辅助驾驶系统以及车载信息系统等系统的支撑下，整车正向着更安全、更清洁和更经济的方向发展。所有这些系统均高度依赖于各种传感器提供的输入，其中，大多数传感器的制造均采用了MEMS技术。在MEMS领域的技术进步使人们能够极大地缩小这些传感器的尺寸，因此，除了性价比更高之外，基于MEMS传感器的模块还可以集成越来越多的功能，如自测以及精确的检验程序等等。
MEMS加速度传感器在汽车安全系统中有着广泛的应用，举例来说，图2所示为汽 车中的高g值传感器的应用示意图。
在防翻滚安全系统中，要采用一种基于MEMS技术的惯性传感器，如图3所示。为了监测翻滚这种状态，把陀螺仪输出的传感器信号与低g值加速度传感器的输出信号结合起来就是至关重要的。通过处理两个传感器给出的信号，系统的算法确定车的Z轴以及垂直线之间的夹角，以及每一时刻车辆的角速度3x。因此，翻滚感测算法及时确定准确的时间点和位置，从而爆开特定的气囊或主动收紧绑在乘员身上的安全带。
此外，电子稳定程序(ESP)系统也是MEMS传感器的一个重要应用领域，它能够在所有的驾驶情况下提高车辆的行驶稳定性。通过传感器测量车辆的偏航率，并把它与其它参数一如转向角和速度一进行比较，可以检测过度转向或转向不够这样的行驶状况。如果行驶过程中需要ESP发挥作用，那么，该系统会自动地分别制动车轮。因此，传感器提供的信号是ESP算法执行的根本基础，是提高行车稳定性的关键。
MEMS偏航传感器一般由容性硅振荡器构成，其周围是若干悬浮的网状材料。当受到垂直于振动轴的外部旋转运动的作用时，作用力使振动面出现偏离，从而导致电容的变化。
目前，汽车安全系统应用中的偏航传感器的发展趋势是具有高偏移量稳定性、振动鲁棒性以及全数字信号处理功能。这使之比模拟传感器更为耐用。永久性的主动内部故障检测功能，使故障识别以及主动自测功能成为可能，因此，有助于增强可靠性。此外，偏航传感器与加速度传感器结合在一起，构成一体化的传感器平台也是一大发展趋势。例如，博世公司的DRS-MM3传感器串。
根据整车系统设计的需要，传感器串由于采用了灵活的结构，能够在不同的车辆方向上监测偏航率以及加速度，因此，适合于高度动态以及高度精密的系统，如电子稳定程序(ESP)、翻滚减轻系统以及电子主动操纵系统等等。
结语
在汽车主动安全系统中，新型的传感器系统有望在未来几年出现，其中包括：侧碰气囊的压力传感器、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。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。
另一方面，据报道，汽车传感器的50％的成本花在了校准和测试上，因此，迫切需要对传感器的设计进行创新。半导体公司通过与汽车行业的合作，有望在系统层面加速新型传感器系统的开发和实现，大幅降低传感器的成本，从而为汽车安全系统MEMS传感器的普及应用开辟新的发展机会，值得整个电子系统设计、测试、制造以及半导体行业的关注。而中国目前从事MEMS器件制造的企业相对比较薄弱，因此，发展MES传感器产业的空间巨大。
关键词：汽车安全；传感器；MEMS；主动安全
在撰写本文之时，正是全球半导体行业发展陷入低迷之时，新一轮的产业整合在所难免。然而，说起汽车安全这个话题，也许给半导体行业带来的永远是春天的感觉吧。根据Frost&Sullivan的分析，从全球范围看，汽车安全技术呈现下列趋势：
全球主要市场对于主动及被动安全系统的需求将以6.4％的年复合增长率成长，预计到2012年将达到262亿美元的市场规模；
日本是当今最大的主动安全系统的市场，预计欧洲将在2010年后赶上；
预期到2010年，汽车稳定系统将继续占据主动安全系统市场的大头，安全警告与信息系统市场有望取得长足发展；
汽车被动安全市场将停滞，然而，在地区市场中各种新兴技术有望获得发展机会；
在汽车安全领域，欧洲和日本以技术推动法规的制定，北美以法规推动技术的发展；
下一代汽车安全系统可能采用传感器熔接技术来增强道路安全性；安全以及驾驶员辅助系统将逐渐向中级车以及SUV渗透；
Frost&Sullivan公司分析师PrashanthVenkatesh表示，对增强汽车安全性能的需求将推动MEMS传感器市场的持续增长。本文试图让从事汽车电子系统设计的工程经理以及工程师概要了解MEMS传感器在汽车安全系统设计创新中的应用，全球主要MEMS传感器系统制造商和半导体公司，从而了解产业发展的现状和趋势。
哪些汽车安全系统要使用MEMS传感器?
目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包含50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中，大约1/3的传感器采用的是MEMS传感器。图1给出了NEXUS对汽车MEMS传感器市场的调查结果。
MEMS传感器在汽车安全系统中的应用包括下列主要的系统：
智能气囊系统
当车辆发生碰撞时，乘员的安全维系于气囊的及时展开，它必须在恰到好处的时间点张开，并朝着乘员的方向提供合适的作用力。
尽管对于乘员及其运动的监测可以由位于座椅上的MEMS加速计系统来监测，但是，在车辆中的安全气囊系统可以被安装在不同的地方，因此，要判断多个信息，如：识别碰撞的类型、方向、重力影响等等，这样才能保证气囊系统做出明确和专注的反应。
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，从而替代多个机电碰撞传感器系统，为汽车提供先进的乘员安全条件。
防盗系统
在汽车防盗系统中，也可以采用MEMS加速计。在这种情形下，加速计被用做倾斜计，感测汽车或摩托车相对于地面的倾斜度。当盗贼用拖车盗窃车辆时，加速计将检测到倾斜度的变化，从而让声音报警系统工作。
一般来说，3轴加速计的安装很方便，因此，防盗系统的MEMS传感器可以被安装在车辆中的任何位置。
头灯光线定向系统
在黑暗的条件下行车，汽车行驶的安全性依赖于汽车头灯光线的定向。
头灯光线要对准我们行驶的路面可能依赖于许多不同的外部条件，这些条件由路况以及车况两方面构成，路况信息包括是否沥青路面、转弯、上下坡、驾驶技能和经验等，而车况信息包括胎压、悬架、乘员数量、重量以及车辆平衡度等等。
驾驶员不必针对上述情况持续地调节头等光线的方向，这均是头等光线定向系统要完成的功能。
利用MEMS传感器，如加速计和陀螺仪，头等光线定向系统得以实现，从而开启汽车安全的新时代，它可以增强对路面和障碍物的照射，确保更为安全的驾驶状况。
乘员检测系统
在出现车辆与障碍物碰撞时，为了安全地拯救乘员的生命，要在座椅周围分布完整的气囊传感器。
因为瞬间碰撞可能是无法预知的，汽车电子系统应该确定谁以及是什么坐在乘员座位上。根据车内每一个乘员及其位置，乘员检测系统不仅仅要确定张开哪只气囊，而且更为重要的是确定气囊展开的力度，MEMS加速计增强了这种功能，它能够快速检测因碰撞力导致乘员被从座位上弹起来的情况。
主动安全系统
MEMS加速计以及陀螺仪是两种完全能够满足汽车主动安全系统要求的传感器。
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。
MEMS传感器具有高精密度和准确性，占位空间非常小，能够与其它系统高度集成为一体，从而可以瞬间检测到那些功能系统发出的任何信息。
由于MEMS传感器在汽车安全系统创新中有着广泛的应用，众多系统厂家以及半导体公司跻身其中。据Yole Development统计，2006年十大MEMS器件制造商分别是：TI、惠普、博世、利盟、精工一爱普生、ST、佳能、飞思卡尔、ADI以及电装公司。可见，其中一半制造商与汽车有关。
汽车安全系统所采用的传感器正呈现由孤立的传感器朝着一体化模块的方向发展。相比之下，在半导体行业为摩尔定律是否仍然有效而争论不休之时，MEMS技术却推动着超越摩尔定律的变革，实现了更高水平的系统集成。目前，为汽车安全系统提供MEMS加速度以及陀螺仪传感器的公司主要包括：ST、Memsic、ADI、飞思卡尔、Bosch Sensortec以及VTI。
据Yole Development消息，全球范围内目前已经形成了以ST、IMT、索尼、APM、Micralyne、Dalsa半导体、ELMOS-SMI、Memstech、Colibrys、Silex、Memscap以及Tronic旗下Microsystems公司等构成的MEMS器件代工群体。因此，随着MEMS器件生态系统的成熟，汽车安全系统有望随着MEMS传感器技术的发展而迎来巨大机遇。
汽车安全系统创新实例及传感器技术趋势
在电控车身系统、动力总成系统、辅助驾驶系统以及车载信息系统等系统的支撑下，整车正向着更安全、更清洁和更经济的方向发展。所有这些系统均高度依赖于各种传感器提供的输入，其中，大多数传感器的制造均采用了MEMS技术。在MEMS领域的技术进步使人们能够极大地缩小这些传感器的尺寸，因此，除了性价比更高之外，基于MEMS传感器的模块还可以集成越来越多的功能，如自测以及精确的检验程序等等。
MEMS加速度传感器在汽车安全系统中有着广泛的应用，举例来说，图2所示为汽 车中的高g值传感器的应用示意图。
在防翻滚安全系统中，要采用一种基于MEMS技术的惯性传感器，如图3所示。为了监测翻滚这种状态，把陀螺仪输出的传感器信号与低g值加速度传感器的输出信号结合起来就是至关重要的。通过处理两个传感器给出的信号，系统的算法确定车的Z轴以及垂直线之间的夹角，以及每一时刻车辆的角速度3x。因此，翻滚感测算法及时确定准确的时间点和位置，从而爆开特定的气囊或主动收紧绑在乘员身上的安全带。
此外，电子稳定程序(ESP)系统也是MEMS传感器的一个重要应用领域，它能够在所有的驾驶情况下提高车辆的行驶稳定性。通过传感器测量车辆的偏航率，并把它与其它参数一如转向角和速度一进行比较，可以检测过度转向或转向不够这样的行驶状况。如果行驶过程中需要ESP发挥作用，那么，该系统会自动地分别制动车轮。因此，传感器提供的信号是ESP算法执行的根本基础，是提高行车稳定性的关键。
MEMS偏航传感器一般由容性硅振荡器构成，其周围是若干悬浮的网状材料。当受到垂直于振动轴的外部旋转运动的作用时，作用力使振动面出现偏离，从而导致电容的变化。
目前，汽车安全系统应用中的偏航传感器的发展趋势是具有高偏移量稳定性、振动鲁棒性以及全数字信号处理功能。这使之比模拟传感器更为耐用。永久性的主动内部故障检测功能，使故障识别以及主动自测功能成为可能，因此，有助于增强可靠性。此外，偏航传感器与加速度传感器结合在一起，构成一体化的传感器平台也是一大发展趋势。例如，博世公司的DRS-MM3传感器串。
根据整车系统设计的需要，传感器串由于采用了灵活的结构，能够在不同的车辆方向上监测偏航率以及加速度，因此，适合于高度动态以及高度精密的系统，如电子稳定程序(ESP)、翻滚减轻系统以及电子主动操纵系统等等。
结语
在汽车主动安全系统中，新型的传感器系统有望在未来几年出现，其中包括：侧碰气囊的压力传感器、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。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。
另一方面，据报道，汽车传感器的50％的成本花在了校准和测试上，因此，迫切需要对传感器的设计进行创新。半导体公司通过与汽车行业的合作，有望在系统层面加速新型传感器系统的开发和实现，大幅降低传感器的成本，从而为汽车安全系统MEMS传感器的普及应用开辟新的发展机会，值得整个电子系统设计、测试、制造以及半导体行业的关注。而中国目前从事MEMS器件制造的企业相对比较薄弱，因此，发展MES传感器产业的空间巨大。