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MEMS感測器如何演進?車規級新產品湧現

南美洲的一隻蝴蝶扇動一下翅膀,給北美帶來一場颶風;鏡頭放慢1000倍,可以看到子彈穿過雞蛋的瞬間畫面;把細節處放大,會發現眾多微小的感知,隱藏著巨大的能量。

其中,MEMS感測器(微機電系統)就是在汽車中一個並不起眼的零件,但它的內部世界既敏感又精準,應用於汽車的防抱死系統(ABS)、電子車身穩定程式(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動手剎(EPB)、斜坡起動輔助(HAS)、胎壓監控(EPMS)、引擎防抖、車輛傾角計量等等。

在MEMS感測器領域,ADI是深耕多年的頭部企業。1987年開始便投入MEMS感測器的研發,也是業界較早從事MEMS研發的公司;1991年,ADI釋出了第一顆高g值MEMS加速度計,聚焦汽車安全氣囊碰撞監測應用,幾乎引領了十年的MEMS感測器研究方向。

ADXL367:持續地線上監測

近期,ADI釋出了新產品——ADXL367,這是一款超低功耗的3軸MEMS加速度計,在100Hz輸出資料速率時功耗僅為0。88μA,在運動觸發的喚醒模式下功耗為180nA。

與上一代ADXL362相比,ADXL367功耗改善了兩倍,同時噪聲效能提高了30%以上,現場使用時間進一步加長,最大限度延長了電池壽命,降低維護頻率和成本,給使用者提供了更低的功耗,更小的體積。

為了更直觀地說明MEMS感測器的應用,ADI亞太區微機電產品線總監趙延輝舉例道,像如今的智慧汽車,鑰匙還放在兜裡,車門就自動開了,但這個車門什麼時候去建立的無線通訊?這裡就是MEMS在起作用。也就是說,當有一個外力觸發它,或者人朝車走過去,鑰匙在運動過程中,它才啟動去試圖和另一個匹配的節點進行通訊。

如果把車鑰匙放置在完全靜止的狀態,當內部集成了車,就知道現在不需要啟動和外部進行通訊。這裡面只有一個感測器在工作,由它來判斷是否有人帶著走,是否試圖和匹配節點去通訊。如果沒有人帶著走,在靜止的條件下,不試圖和外面通訊就可以把整個系統電源斷掉,讓這個感測器自己在工作。MEMS感測器就相當於一個運動開關。

對汽車行業應用,比如智慧的車鑰匙、資料記錄儀,這些產品裡都有一個加速度計,當車發生碰撞的時候,會把碰撞之前,碰撞之中,碰撞之後的影像自動儲存下來,這裡面觸發的就是加速度計的產品,也就是ADXL367在汽車領域可以做的任務。

車規級產品湧現 ADXL314低功耗大量程

另外,ADI還發布了服務新興市場的新品——ADXL314,是一款車規級低功耗大量程加速度計,可應用於胎壓監測、電動車電池監測、碰撞檢測等多個場景。滿足車規級AEC-Q100標準,溫度範圍拓展從–40°C到+125°C,量程為200g,無論是電池還是汽車碰撞,它都可以捕捉到較高的加速度變化。

ADXL314還集成了相對/絕對的運動/靜止檢測中斷,採用32級先進先出(FIFO)緩衝器,可儲存資料,以減少主機處理器負荷,降低整體系統功耗,可耐10000g加速度衝擊。

ADXL314在電動車的電池檢測方面有很大需求。相比於BMS(電池管理系統),MEMS感測器的反饋更快速直接。BMS的監測週期和取樣頻率不高,車輛碰撞瞬間對電壓和電流的判斷沒有MEMS感測器來的直接。

MEMS感測器的監測判斷方向,一個是碰撞,一個是煙感。ADXL314解決的是碰撞檢測的問題。當車本身發生碰撞,由於感測器或者電池裝在不同的位置,不同方位的撞擊使電池受到的影響也不一樣。所以電池生產廠商需要擁有與電池匹配的MEMS感測器,可以實時知道電池本身受到了多大的衝擊影響,再根據不同的加速度等級來反饋電池採取什麼樣的保護措施。這在電池廠商當中存在廣泛的需求。

據透露,ADXL314在國內外已經有一些客戶,開始批次使用ADXL314去這樣的電池碰撞監測。

此外,ADXL314還會應用在車載EDR(事件資料記錄系統)上。ADXL314是符合車規級、滿足AEC-Q100的產品,可拓展至-40到+125度的溫度範圍,而一般的車規要求是105度。

ADXL314量程是200g,屬於high-g大量程。一般的情況下,超過70g量程叫做high-g的加速度計,一般用來做碰擊或是衝撞等比較大的加速度變化的應用;10g~40g或是70g為中等量程middle-g,主要做振動條件下的加速度判斷;10g以下是low-g,做人體的判斷,如跌倒或者傾角等。

因此ADXL314是典型的面向high-g的產品,無論是電池還是汽車的碰撞,它可以捕捉到比較高的加速度的變化。同時,ADXL314功耗很低,在不同的資料速率下最高功耗是在170μA左右,它的最高輸出資料速率可以到3200Hz。

ADI一直堅持做前沿技術,它是第一個推出汽車安全氣囊感測器的公司。有統計資料顯示,在全球,每天採用了ADI sensor安全氣囊可以解救8條人命。之後,ADI也是第一家把MEMS從汽車跨到消費類領域的公司。當下,汽車電子產業和消費電子仍是MEMS感測器的主要應用領域,這兩塊應用市場約佔60%以上。

但如今,產品供應在增加,價格在持續下滑。與此同時,汽車企業對產品可靠性提出了更高的要求,因此ADI加大投入、精進工藝,隨市場變化而動,持續推進MEMS感測器的發展。