MEMS慣性傳感器/超聲波傳感器/溫度傳感器需要的技術(shù)創(chuàng)新

汽車正從單純的移動(dòng)工具逐漸成為實(shí)現(xiàn)服務(wù)和應(yīng)用的綜合性載體，向智能聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、服務(wù)&共享和電動(dòng)化發(fā)展。

汽車電動(dòng)化和智能化趨勢(shì)，對(duì)車載傳感器的功能有了更多要求，而高度的電子化讓車載工作環(huán)境更為嚴(yán)苛，需要性能更好的傳感器滿足可靠性要求。

村田車規(guī)級(jí)傳感器：袁玖金，村田(中國(guó))投資有限公司產(chǎn)品市場(chǎng)統(tǒng)括部傳感器高級(jí)工程師 這里就來(lái)看看三款車載傳感器——MEMS慣性傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器，需要哪些技術(shù)創(chuàng)新，將面對(duì)什么新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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MEMS慣性傳感器

自動(dòng)駕駛時(shí)，汽車的位置信息需要由GNSS信號(hào)、基于路標(biāo)或者車道線的視覺信息、以及結(jié)合高精度地圖的信息獲得。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)攝像頭，激光雷達(dá)或者毫米波雷達(dá)得到的相對(duì)位置信息，有時(shí)候會(huì)不準(zhǔn)確。

例如，超出攝像頭動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍的逆光，沒有路標(biāo)的荒野，大霧等情況下，就只能依靠GNSS和慣性傳感器提供的絕對(duì)位置信息。

慣性傳感器通過(guò)和GNSS信號(hào)融合提供位置信息，可用于提高汽車駕駛的安全性和舒適性。在丟失視覺信號(hào)時(shí)，GNSS和高性能IMU的融合提供了安全可靠的位置信息；在GNSS信號(hào)受到干擾時(shí)，視覺和高性能IMU的融合提供了安全可靠的位置信息。

慣性傳感器通過(guò)和GNSS信號(hào)融合提供位置信息

自動(dòng)駕駛過(guò)程中，準(zhǔn)確確定車輛航向也非常重要，慣性傳感器的零偏不穩(wěn)定性會(huì)影響車輛的航向確定。

拿兩只零偏不穩(wěn)定性不同的陀螺作比較。如果陀螺A的零偏不穩(wěn)定性為10°/hr，陀螺B的零偏不穩(wěn)定性為1°/hr ，航向角就可以通過(guò)陀螺輸出的積分來(lái)計(jì)算，100分鐘后：

陀螺A的航向角偏差約為30°左右

陀螺B的航向角偏差僅為3°

出現(xiàn)大概10倍的差異！

自動(dòng)駕駛級(jí)別不同，對(duì)慣性傳感器的要求也不同：

自動(dòng)駕駛1級(jí)，需要10°/hr的零偏不穩(wěn)定性

自動(dòng)駕駛2級(jí)、2+級(jí)和3級(jí)，要求上升為3°/hr

高級(jí)自動(dòng)駕駛和完全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，要求將高達(dá)0.5°/hr

村田新近推出了 HPCA 6自由度慣性測(cè)量，該產(chǎn)品具有0.9°/hr的零偏不穩(wěn)定性，可用于自動(dòng)駕駛 3、4級(jí)系統(tǒng) 。

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超聲波傳感器

自動(dòng)駕駛需要監(jiān)測(cè)車輛的周圍環(huán)境，這需要使用各種傳感器，如雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像機(jī)、超聲波傳感器，并進(jìn)行算法的組合。通過(guò)組合各個(gè)傳感器，可以擴(kuò)大檢測(cè)范圍，或者縮短盲區(qū)，有助于提高自主駕駛的安全性。

超聲波傳感器有望在距離車輛幾米范圍內(nèi)發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用，可用于自動(dòng)停車系統(tǒng)，包括低速自動(dòng)駕駛。

為了提高這種安全性，超聲波傳感器也需要提高產(chǎn)品本身的可靠性并擴(kuò)大檢測(cè)范圍。為了快速檢測(cè)汽車周圍情況，業(yè)內(nèi)討論通過(guò)Coding技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)超聲波探頭同時(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境。因此，產(chǎn)品的耐久性是必需的。

同時(shí)為了擴(kuò)大檢測(cè)區(qū)域，對(duì)于汽車周圍近距離的需求也越來(lái)越高。

為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器優(yōu)異的耐久性，穩(wěn)定的近距離檢測(cè)，村田從產(chǎn)品的構(gòu)造，制程開始進(jìn)行改善。目標(biāo)是，單個(gè)超聲波探頭的近距離檢測(cè)，從目前的25cm縮短到10cm以下。

目前，村田在實(shí)現(xiàn)10cm以下的檢測(cè)研發(fā)上已經(jīng)有了進(jìn)展。通過(guò)抑制超聲波發(fā)射后的余震時(shí)間，已經(jīng)可以檢測(cè)到10cm以下距離處反射回來(lái)的回波信號(hào)。在不久的將來(lái)村田計(jì)劃向市場(chǎng)提供這種技術(shù)的產(chǎn)品。

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溫度傳感器

溫度傳感器，也就是熱敏電阻。使用陶瓷材料技術(shù)的NTC熱敏電阻被廣泛地運(yùn)用于各種用途。除了用于新能源汽車用的BMS、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器的溫度監(jiān)測(cè)外，NTC也開始被用于毫米波、激光雷達(dá)等系統(tǒng)中。

下圖左邊顯示了在ADAS電子控制單元內(nèi)部的熱量分布。紅色區(qū)域溫度很高，最高溫度區(qū)域在GPU附近。右邊圖片顯示特斯拉基于Xavier(NVIDIA)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。需要主動(dòng)冷卻以保持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件。 帶有主動(dòng)風(fēng)扇空氣冷卻的散熱器是標(biāo)準(zhǔn)配置。SoC的半導(dǎo)體內(nèi)部有熱二極管。然而，它的溫度精度有很大的誤差。誤差可達(dá)+/-5至20攝氏度。

熱敏電阻用來(lái)監(jiān)測(cè)SoC的溫度，以獲得更好的精度。適當(dāng)?shù)臒峥刂朴兄谘娱L(zhǎng)使用壽命和提高可靠性。 村田的汽車級(jí)熱敏電阻NCU系列可以適應(yīng)汽車高溫應(yīng)用。NCU系列的外電極是由銅制成的，在高濕度環(huán)境下提高了可靠性，防止了電子遷移。