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MEMS传感器开创汽车产业新时代

导读: 未来半自动和全自动驾驶汽车的实现与传感器发展密切相关,为了让用户获得更佳的体验,从依靠工业级陀螺仪实现卓越导航的高度精确的航位推算子系统,到具有直观人机界面。

据麦姆斯咨询介绍,未来半自动和全自动驾驶汽车的实现与传感器发展密切相关。为了让用户获得更佳的体验,从依靠工业级陀螺仪实现卓越导航的高度精确的航位推算子系统,到具有直观人机界面(human machine interface,HMI)和智能座椅等更智能化和个性化的驾驶室,新一代的半自动和全自动驾驶汽车都必将使用更多的传感器。

航位推算精确提供位置信息

航位推算法是通过物体之前位置,结合速度和方位来推算当前位置的过程。航位推算法应用广泛,是智能手机、航空航天导航和导弹制导中惯性导航系统的基础。

当今一流的MEMS陀螺仪可以在200米的距离内提供30~50厘米的分辨率(横摆角速度漂移),这是GPS信号丢失的典型隧道长度。对于半自动(L3)或自动驾驶(L4、L5)汽车,其位置精度远低于10厘米。通常只有高端工业或航空航天陀螺仪可以满足这种精度,其零偏不稳定性误差值范围为1°/h至0.01°/h。这些重载陀螺仪的价格从100美元到1000美元不等。

根据应用和偏置漂移性能区分当前不同陀螺仪的性能水平

对于具备工业精度能力的MEMS陀螺仪传感器制造商,例如Silicon Sensing Systems、Analog Devices、Murata、Epson Toyocom和TDK InvenSense,以及更广泛的传感器元器件制造商,如Bosch、Panasonic、STMicroelectronics和TDK(InvenSense和Tronics)等,自动驾驶汽车中潜藏的巨大机会令他们极其感兴趣。

虽然MEMS技术在性能、尺寸和重量上控制较好,但成本仍然是个挑战。自动驾驶的故障操作模式允许使用更高的价格(最开始时价格至少在100美元以上)的传感器,即使到2030年自动驾驶汽车数量仍相对较少。尽管如此,与工业应用相比,汽车的销量仍然具有非常大的吸引力,它为航位推算传感器提供了利润丰厚的未来市场。

驾驶室将变得更加智能

汽车制造商寄希望于人们喜欢控制自己的物理环境的想法。汽车内部配备了压力传感器,可提供更个性化的乘坐体验,以及先进的两级安全气囊,以提高安全性。在某些车辆中,汽车制造商还使用成对的MEMS麦克风来降低噪声,通过图像传感器或MEMS红外传感器来检测驾驶员的存在。同时,利用气体传感器检测车内的二氧化碳浓度,当检测到导致瞌睡的危险指数达标时,就会触发警告。然后,这些智能传感器将“告诉”驾驶员打开车窗或利用较复杂的解决方案启动空气净化系统。虽然如今的二氧化碳传感器价格仍然相对昂贵,但相信未来我们会看到低成本的传感器进入市场。

未来的驾驶室需要超越这些概念,走向全自动驾驶。座椅上可以配备灵敏的加速度计,用于测量心率和呼吸频率以及身体的各项活动。其他器件还可以监测人体湿度和温度。

我们再来看看Murata(村田制作所),最初用MEMS加速度计代替脉搏血氧仪,致力于临床医学,其加速度计同样可以内置在汽车座椅中来检测心率。当然,这并不是唯一的方法,另一种用于心率测量的传感方法是利用毫米波雷达技术,毫米波甚至可以穿透诸如书籍或杂志等物体。

为了增强传感器对人体监测的能力,汽车设计师将通过摄像头来融合信息,如凝视方向、眨眼和闭眼率、头部倾斜度和座椅数据,以及传感器收集的各项数据等,来反映有关驾驶员的身体状况、意识甚至情绪等有价值的信息。

佛吉亚(Faurecia)在2016年巴黎车展上亮相的智能座椅Active Wellness概念机证明了这项技术可能比我们想象的来得要快。Active Wellness可主动收集并分析生物数据,存储驾驶员的行为和偏好。该原型提供了基于身体状况来预测驾驶员舒适度的数据,包括一天中的行驶时间和行驶条件以及汽车自动驾驶运行模式(L3、L4或L5)等。其他功能,如事件触发按摩(event-triggered massage)、座椅通风,甚至随环境照明或音频环境而变化都将可能实现。

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佛吉亚的“未来驾驶室”在2018年国际消费电子展亮相

同时,还有其他更先进的人机界面的商业言论以及大量产品原型。伟世通(Visteon)的Horizon驾驶室可以通过语音激活或通过手势来打开或调整采暖通风与空调(HVAC)。如今,电容传感器已广泛用于接触式应用,非接触式应用包括从简单的红外二极管进行近距离测量,到用于手势控制的复杂3D飞行时间(ToF)测量等。

很明显,汽车设计师在车内空间中可以更加自由地使用人机交互界面,提供制造商认为客户会乐意支付更高费用的差异化设计。

如何管理传感器数量激增带来的输入问题

目前,研究人员正在研究解决先进功能汽车需要多种传感输入的问题。也就是说,当我们有这么多的传感输入时,设计人员必须解决复杂布线和不必要的重量问题。例如,佛吉亚正在考虑将装饰性表面(如木材、铝、织物材料或塑料)转化为智能表面,通过集成在表面的触敏电容开关,形成功能性的智能表面,减少传感输入的数量,从而降低布线复杂性。随着2020年的到来,佛吉亚的此项解决方案也即将上市。

除了功能化开关、柔性电子设备和无线电源之外,甚至是能量收集(以减轻电源重量),都可以提供一些答案。实际上,最近的研究表明,基于石墨烯的霍尔器件可以嵌入到大面积柔性Kapton薄膜中,最终集成到面板上。捷豹路虎等这些原始设备制造商(OEM)对解决电子产品和传感器激增问题的方法非常感兴趣,尤其是在豪华汽车中。智能表面代表着传感器封装的巨大变化以及对当前半导体工艺的挑战,距离商业化还有很长的路要走。

到2030年左右,能够检测到我们的情绪、生命体征和活动水平的全自动驾驶汽车将可能进入市场。如果车内二氧化碳含量升高,驾驶室可以向我们发出打开窗户的信号。HVAC系统可以基于我们的体温来增加座椅通风或打开空调(或暖气),感觉车内太热或太冷都将成为过去,至少对于驾驶员而言,舒适度是最重要的!未来我们可能会觉得在车里比在办公室、家里或电影院更舒适。也许汽车会成为办公室、娱乐中心,甚至家外之家,因为当我们与家人一起长途旅行时,不会再有人问:“我们还没到吗?”

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