一文读懂汽车MEMS惯性传感器的七大应用（上）
当前，微机电系统（MEMS）传感器已被大多数汽车工程师视为尖端技术或边缘技术，以寻求提高性能、降低成本并增强家用轿车的可靠性。实际上，在过去的十年中，汽车中已经使用了数亿个MEMS传感器。
MEMS惯性传感器
但是，MEMS传感器中的许多传感器（例如MEMS压力传感器）只是用更便宜、更可靠的设备替代了旧技术，相比之下，MEMS惯性传感器实现了许多理想的功能，这些功能在当今的汽车中越来越普遍。据了解，惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元)、AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。
在本文中，我们将研究汽车MEMS惯性传感器的应用，描述它们的工作原理，并讨论如何利用MEMS传感器来实现更大的应用改进。许多应用程序你可能很熟悉，因为它们已经在汽车中无处不在；一些应用程序（通常是最有趣的）虽然只出现在高端机型中，但未来注定会成为标准设备。
一、安全气囊控制的碰撞感测
用于安全气囊控制的碰撞感测是惯性MEMS传感器在汽车上最大的应用。在这种应用中，加速度计连续测量汽车的加速度，当该参数超过预定阈值时，微控制器计算加速度的积分（即曲线下的面积），以确定速度是否发生了较大的净变化。如果有的话，安全气囊就会被引爆，发射前安全气囊的决定必须在几十毫秒内做出，由于车门比方向盘或仪表板更靠近乘员，因此必须更快地决定是否启用侧气囊。
大约15或20年前，当安全气囊首次出现在汽车中时，安全气囊控制模块的制造商就依赖于分布在整个汽车中的g个开关（惯性开关，它由装在圆柱形外壳中的触点、球和弹簧组成）。这些开关没有提供有关所感测到的加速度性质的大量信息，它们只是提供开/关信号，告诉你加速度高于或低于阈值。因此，一个简单的中控台安全气囊控制模块需要几个开关（通常是3到7个）来确定加速度是路面不平还是撞车的结果。而且更糟糕的是，由于其触点g开关的可靠性、所需的长寿命以及高昂成本，因此将它们连接到整个汽车的多个位置增加了成本，降低了可靠性。
而将MEMS加速度计引入安全气囊控制模块实际上消除了将g开关用作安全气囊模块中的主要加速度传感器的麻烦，由于MEMS加速度计读取连续（模拟）测量值，因此可以在中央控制台中用一个MEMS设备替换g开关。随之而来的可靠性提高和安全气囊系统价格的下降有助于使其在汽车中普及。更重要的是，MEMS加速度计可以执行可靠的自检，从而使安全气囊模块处理器可以确定传感器的数据是否可靠或者是否必须对安全气囊模块进行维修。
MEMS加速度计通常控制侧面安全气囊。由于必须迅速做出火灾决定，因此没有时间等待传感器信号通过汽车底盘的传播，因此必须将卫星放置在它所控制的安全气囊附近。此外，由于冲击和加速度计之间实际上没有挤压区，因此测量范围必须在中控台加速度计上方。结果，许多配备有侧面安全气囊的车辆可能会为此增加两到四个MEMS加速度计。
某些车型上还增加了位于前保险杠后面的前视碰撞传感器，以帮助确定正面碰撞的严重性。将前视传感器的加速度信号与中控台加速度计的加速度信号进行比较，从而使安全气囊模块控制器可以调节安全气囊的充气速度，使其与汽车的减速速度匹配。在此，高g范围和紧凑尺寸也是该应用中的重要因素。
二、车辆动态控制（VDC）
车辆动态控制（VDC）系统可帮助驾驶员在汽车开始打滑时重新获得对汽车的控制，如果VDC正常工作，驾驶员甚至可能不知道系统干预了。
VDC系统由一个陀螺仪、一个低重力加速度计和每个车轮处的车轮转速传感器组成（ABS也可以使用车轮转速传感器）。测量车轮转速，并将汽车的预测偏航（或转向）速度与陀螺仪测得的速度进行比较。低重力加速度计还用于确定汽车是否在横向滑动，如果测得的横摆速度与计算出的横摆速度不同，或者检测到横向滑动，则可以使用单轮制动或减小扭矩来使汽车恢复原状。
在MEMS陀螺仪和加速度计出现之前，普通乘用车的VDC是不切实际的，常规的陀螺仪和加速度计将使汽车成本增加数千美元。事实上，用旋转质量和应变计制造的传统陀螺仪可能不够坚固，无法满足汽车市场10年以上的运行要求，即使是MEMS陀螺仪也几乎不能胜任这项任务。
典型的MEMS陀螺仪使用石英音叉，音叉的振动以及施加的角度旋转（汽车的偏航率）在音叉上产生科里奥利加速度，安装在音叉上的加速计或应变计测量微小的科里奥利力。
信号输出与音叉大小成正比。为了产生足够强的输出信号，音叉必须剧烈振动，最好用高Q结构来完成这个任务。制造商经常把音叉放在真空中，以尽量减少音叉周围空气的机械阻尼，因为高Q结构可能相当脆弱。
由于陀螺仪必须牢固地连接到汽车上才能准确地测量偏航率，因此陀螺仪经常会遭受冲击和振动。这种机械噪声可以将信号引入科里奥利传感器加速度计，该信号比音叉产生的科里奥利信号高几个数量级。将信号与噪声分开并不容易，通常，冲击或振动会使电路饱和，并使陀螺仪的输出在短时间内不可靠（这解释了为什么VDC警告灯偶尔会无故亮起的原因）。
传统的MEMS陀螺仪通常体积庞大（100cm3或更大的情况并不少见）。这部分是由于添加了机械式防振架的缘故，该防振架的安装可将对外部振动的敏感性降至最低。
不过，新型MEMS器件避免了这些缺点。例如，ADI公司的iMEMS陀螺仪为7x7x3mm（0.15 cm3），它不是使用石英，而是使用了共振多晶硅梁结构，该结构创建了向角速度显示时产生科里奥利力的速度元素。在与共振运动正交的多晶硅梁的外边缘，电容式加速度计测量科里奥利力。陀螺仪具有两组反相的光束，彼此相邻放置，并且它们的输出被差分读取，从而减弱了外部振动灵敏度。
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