MEMS傳感器在車輛動態系統控制中的應用

2021-01-08 電子發燒友

首先,您認為MEMS傳感器未來的三大應用包括哪些?

汽車傳感器三大類:安全、引擎管理和舒適應用

如果您的答案中沒有「汽車」市場,那證明您沒有在浮躁的市場「回聲室」中人云亦云(回聲室效應,形象地體現了如今社交媒體上的一種普遍現象:由於相同的觀點被人們不斷地重複、誇大,因此很難聽到質疑的聲音),當然,也有可能您沒有仔細看標題。每個人都知道,由於汽車正在從傳統的機械向電氣化「線控驅動」轉型,為電子市場帶來了巨大的市場機遇。

這意味著越來越多的傳感器將會在汽車中得到應用,因此,MEMS廠商正在為即將到來的市場熱潮而做好準備。

但是,蛋糕可能沒那麼快上桌。邏輯似乎沒問題,但事實上,正如去年秋季在「MEMS和傳感器高峰會議」上,著名市場研究機構IHS Markit首席分析師兼MEMS和傳感器高級總監Jeremie Bouchaud提供的一些實際調研。確實,在汽車市場的這輪變革中,需要應用很多傳感器,但其中有多少會是MEMS傳感器(甚至基於半導體的傳感器)?

MEMS無處不在?

據麥姆斯諮詢介紹,MEMS器件在汽車領域的表現一直很好。安全氣囊和胎壓監測是MEMS傳感器在汽車領域的首批大規模應用,將MEMS傳感器從乏力的高摩擦業務推向主流市場。但據IHS Markit稱,汽車領域的MEMS傳感器增長預計將低於其他傳感器。2014~2024年期間,IHS Markit認為MEMS傳感器的複合年增長率(CAGR)為3%,而排在MEMS傳感器前面的下一個類別傳感器(傳統的負溫度係數(NTC)熱傳感器)的複合年增長率預計為7%,其它一些傳感器的複合年增長率更高,例如,雷達可達18%。

汽車MEMS和傳感器市場總覽

Jeremie Bouchaud按應用對傳感器的市場機遇進行了細分解讀,如果您認為所有傳感器都將最終從傳統技術轉換到MEMS技術,那麼他的分析可以給您帶來一些清醒的認識。

在認識到實際上並非所有傳感器都是MEMS以後,已將原本的「MEMS產業」分類更名為「MEMS和傳感器產業」。但研究的重點仍是領先的微尺度半導體傳感器。例如,嚴格來說,霍爾效應傳感器這樣的器件可能不屬於MEMS,但它們仍然是微尺度的,並且也是用矽製造的。其它不在晶圓上製造和組裝的尺寸更大、相對更笨重的宏觀機電單元,也不乏光明的未來。

目前,汽車根據顯著差異的傳感器需求可以分為兩類。其中,最顯眼的一類是大家都在談論的自動駕駛汽車;另一類(在某種程度上與自動駕駛重疊或有交集)是電動或混合動力汽車。

自動駕駛內燃汽車中的傳感器

在傳統汽車向自動駕駛發展的過程中,多種傳感器正在爆發增長。在Level 2級自動駕駛,外部攝像頭和雷達佔主導地位,微測輻射熱計作為可選傳感器應用日益增長;在Level 3級自動駕駛,將需要車廂內部攝像頭和雷射雷達(LiDAR);在Level 4級和5級自動駕駛,在操作端將會看到慣性測量單元(IMU,即加速度計、陀螺儀和磁力計的組合),乘員娛樂系統會用到更多可能的傳感器和執行器。

自動駕駛汽車傳感器市場預測

攝像頭和雷達屬於傳統傳感器,每輛車可以在不同方向上應用多顆。此外,在眾多雷射雷達競爭者中,大部分也都採用了傳統技術。事實上,最知名的使用旋轉鏡反射雷射束的方案,也是在宏觀尺度上運行的。這些傳感器會被MEMS技術替代嗎?有可能,但IHS Markit的預測並不確定,認為只有部分雷射雷達會採用MEMS方案。

然後,是應用日益增長的微測輻射熱計。那什麼是微測輻射熱計呢?這是一種電阻型熱傳感器,工作原理是吸收目標物體發出的紅外輻射,在引起熱敏材料發生溫度變化時,熱敏材料的電阻也將發生變化,在外加偏置的作用下產生相應的電學信號輸出,然後還原成圖像信息。

那麼,這與汽車應用有什麼關係?通過探測熱成像,微測輻射熱計可以用於汽車夜視,提高夜間或視線受阻時行車的安全性。但是,微測輻射熱計相對成本較高,因此,仍然只是部分車型的選裝功能。

IHS Markit還列出了另外一種用於電池充電的新型傳感器:磁通門傳感器。其工作原理是基於鐵芯材料的非線性磁化特性,其敏感元件為高磁導率、易飽和材料製成的鐵芯,有兩個繞組圍繞該鐵芯:一個是激勵線圈,另一個是信號線圈。在交變激勵信號的磁化作用下,鐵芯的導磁特性發生周期性飽和與非飽和的變化,從而使圍繞在鐵芯上的感應線圈感應出反應外界磁場的信號。

所有這些傳感器都在汽車領域獲得了市場機遇,但它們不是MEMS,而且,至少在IHS Markit看來,它們似乎並沒有轉向MEMS的趨勢。而且,還有很多宏觀傳感器在今天仍大有可為。

電動和混合動力汽車中的傳感器

與此同時,在通往電動化的大道上,還有一些完全不同的傳感器。IHS Markit將他們分為四大類:

■ 電流傳感器

- 分流器(傳統)

- 霍爾(半導體)

- 磁阻(半導體)

■ 溫度傳感器

- 主要是NTC

■ 位置傳感器

- 旋轉變壓器(傳統)

■ 換向開關(執行器,而不是傳感器)

- 主要是霍爾(半導體)

MEMS的機會在哪裡?

那麼,未來MEMS(和半導體)傳感器的可能應用有哪些?目前汽車領域對於MEMS而言似乎沒那麼光明?

或許是的,但目前還有一些有前景的領域以及一些尚未解決的需求,有待MEMS或半導體技術去發力。

旋轉變壓器可以讓位於磁阻(MR)傳感器,後者更小、更便宜。開環霍爾傳感器也可以讓位於MR,同樣可以改善尺寸和成本。通過增加CO2傳感器,則能改善車廂內的舒適度控制。

現在,我們已經有相應的傳感器來檢測運動中的碰撞,它們還可以用來探測慢速(如泊車時)或停止時的碰撞,其中一個目標應用是,在電池絕緣受損的情況下斷開電池。

此外,對於電動和混合動力汽車,尤其需要能夠監控電池的完整性。改進電池技術或許會消除這些需求,但是,可以利用壓力傳感器或應變計、氣體傳感器和光纖傳感器來進一步確保電池不會撂挑子。

因此,對於汽車領域的MEMS技術(一種正在改變一切的技術),需要有清醒的認識,MEMS未來會改變我們從A點到B點的方式,MEMS在很多領域擁有高增長的市場機遇,但是,至少在IHS Markit的預測中,目前的汽車市場還算不上MEMS的金礦。

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