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MEMS传感器在车辆动态系统控制中的应用

2019-01-24 17:38 来源:未知

  如果您的答案中没有“汽车”市场,那证明您没有在浮躁的市场“回声室”中人云亦云(回声室效应,形象地体现了如今社交媒体上的一种普遍现象:由于相同的观点被人们不断地重复、夸大,因此很难听到质疑的声音),当然,也有可能您没有仔细看标题。每个人都知道,由于汽车正在从传统的机械向电气化“线控驱动”转型,为电子市场带来了巨大的市场机遇。

  这意味着越来越多的传感器将会在汽车中得到应用,因此,MEMS厂商正在为即将到来的市场热潮而做好准备。

  但是,蛋糕可能没那么快上桌。逻辑似乎没问题,但事实上,正如去年秋季在“MEMS和传感器高峰会议”上,著名市场研究机构IHS Markit首席分析师兼MEMS和传感器高级总监Jeremie Bouchaud提供的一些实际调研。确实,在汽车市场的这轮变革中,需要应用很多传感器,但其中有多少会是MEMS传感器(甚至基于半导体的传感器)?

  据麦姆斯咨询介绍,MEMS器件在汽车领域的表现一直很好。安全气囊和胎压监测是MEMS传感器在汽车领域的首批大规模应用,将MEMS传感器从乏力的高摩擦业务推向主流市场。但据IHS Markit称,汽车领域的MEMS传感器增长预计将低于其他传感器。2014~2024年期间,IHS Markit认为MEMS传感器的复合年增长率(CAGR)为3%,而排在MEMS传感器前面的下一个类别传感器(传统的负温度系数(NTC)热传感器)的复合年增长率预计为7%,一些传感器的复合年增长率更高,例如,雷达可达18%。

  Jeremie Bouchaud按应用对传感器的市场机遇进行了细分解读,如果您认为所有传感器都将最终从传统技术转换到MEMS技术,那么他的分析可以给您带来一些清醒的认识。

  在认识到实际上并非所有传感器都是MEMS以后,已将原本的“MEMS产业”分类更名为“MEMS和传感器产业”。但研究的重点仍是领先的微尺度半导体传感器。例如,严格来说,霍尔效应传感器这样的器件可能不属于MEMS,但它们仍然是微尺度的,并且也是用硅制造的。不在晶圆上制造和组装的尺寸更大、相对更笨重的宏观机电单元,也不乏光明的未来。

  目前,汽车根据显著差异的传感器需求可以分为两类。其中,最显眼的一类是大家都在谈论的自动驾驶汽车;另一类(在某种程度上与自动驾驶重叠或有交集)是电动或混合动力汽车。

  在传统汽车向自动驾驶发展的过程中,多种传感器正在爆发增长。在Level 2级自动驾驶,外部摄像头和雷达占主导地位,微测辐射热计作为可选传感器应用日益增长;在Level 3级自动驾驶,将需要车厢内部摄像头和激光雷达(LiDAR);在Level 4级和5级自动驾驶,在操作端将会看到惯性测量单元(IMU,即加速度计、陀螺仪和磁力计的组合),乘员娱乐系统会用到更多可能的传感器和执行器。

  摄像头和雷达属于传统传感器,每辆车可以在不同方向上应用多颗。此外,在众多激光雷达竞争者中,大部分也都采用了传统技术。事实上,最知名的使用旋转镜反射激光束的方案,也是在宏观尺度上运行的。这些传感器会被MEMS技术替代吗?有可能,但IHS Markit的预测并不确定,认为只有部分激光雷达会采用MEMS方案。

  然后,是应用日益增长的微测辐射热计。那什么是微测辐射热计呢?这是一种电阻型热传感器,工作原理是吸收目标物体发出的红外辐射,在引起热敏材料发生温度变化时,热敏材料的电阻也将发生变化,在外加偏置的作用下产生相应的电学信号输出,然后还原成图像信息。

  那么,这与汽车应用有什么关系?通过探测热成像,微测辐射热计可以用于汽车夜视,提高夜间或视线受阻时行车的安全性。但是,微测辐射热计相对成本较高,因此,仍然只是部分车型的选装功能。

  IHS Markit还列出了另外一种用于电池充电的新型传感器:磁通门传感器。其工作原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性,其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯,有两个绕组围绕该铁芯:一个是激励线圈,另一个是信号线圈。在交变激励信号的磁化作用下,铁芯的导磁特性发生周期性饱和与非饱和的变化,从而使围绕在铁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号。

  所有这些传感器都在汽车领域获得了市场机遇,但它们不是MEMS,而且,至少在IHS Markit看来,它们似乎并没有转向MEMS的趋势。而且,还有很多宏观传感器在今天仍大有可为。

  与此同时,在通往电动化的大道上,还有一些完全不同的传感器。IHS Markit将他们分为四大类:

  那么,未来MEMS(和半导体)传感器的可能应用有哪些?目前汽车领域对于MEMS而言似乎没那么光明?

  或许是的,但目前还有一些有前景的领域以及一些尚未解决的需求,有待MEMS或半导体技术去发力。

  旋转变压器可以让位于磁阻(MR)传感器,后者更小、更便宜。开环霍尔传感器也可以让位于MR,同样可以改善尺寸和成本。通过增加CO2传感器,则能改善车厢内的舒适度控制。

  现在,我们已经有相应的传感器来检测运动中的碰撞,它们还可以用来探测慢速(如泊车时)或停止时的碰撞,其中一个目标应用是,在电池绝缘受损的情况下断开电池。

  此外,对于电动和混合动力汽车,尤其需要能够监控电池的完整性。改进电池技术或许会消除这些需求,但是,可以利用压力传感器或应变计、气体传感器和光纤传感器来进一步确保电池不会撂挑子。

  因此,对于汽车领域的MEMS技术(一种正在改变一切的技术),需要有清醒的认识,MEMS未来会改变我们从A点到B点的方式,MEMS在很多领域拥有高增长的市场机遇,但是,至少在IHS Markit的预测中,目前的汽车市场还算不上MEMS的金矿。

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