1.4.2 微机电系统在汽车工业中的应用

汽车工业在过去20多年里已经是MEMS技术的主要用户，市场规模庞大。在汽车里采用MEMS产品主要是为了使汽车更安全，驾驶更舒适，达到政府要求的高燃烧效率和低排放的标准。早在1988年出现的Smart Car的概念在今天已经成为现实，智能汽车就是以传感器和执行器的广泛应用为基础的。目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包含50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中，大约1/3的传感器采用的是MEMS传感器，应用较多的是硅微压力传感器和加速度传感器。

MEMS传感器在汽车中的应用可分为以下四大类：安全；发动机和动力系；舒适和便利；汽车诊断和健康监测。

1. 安全系统

MEMS传感器在汽车安全系统中的应用包括下列主要的系统。

（1）智能气囊系统

当车辆发生碰撞时，乘员的安全维系于气囊的及时展开，它必须在恰到好处的时间点张开，并朝着乘员的方向提供合适的作用力。利用MEMS加速计的高集成能力以及精度，可替代多个机电碰撞传感器系统，为汽车提供先进的乘员安全条件。

（2）头灯光线定向系统

在黑暗的条件下行车，汽车行驶的安全性依赖于汽车头灯光线的定向。利用MEMS传感器（如加速计和陀螺仪），头灯光线定向系统得以实现，从而驾驶员不必针对路况以及车况等条件持续地调节头灯光线的方向，这开启汽车安全的新时代，它可以增强对路面和障碍物的照射，确保更为安全的驾驶状况。

（3）防盗系统

在汽车防盗系统中，也可以采用MEMS加速计，而且可以被安装在车辆中的任何位置。在这种情形下，加速计被用做倾斜计，感测汽车或摩托车相对于地面的倾斜度。当盗贼用拖车盗窃车辆时，加速计将检测到倾斜度的变化，从而让声音报警系统工作。

（4）乘员检测系统

在出现车辆与障碍物碰撞时，为了安全地拯救乘员的生命，要在座椅周围分布完整的气囊传感器。根据车内每一个乘员及其位置，乘员检测系统不仅要确定张开那只气囊，而且更为重要的是确定气囊展开的力度，MEMS加速计增强了这种功能，它能够快速检测因碰撞力导致乘员被从座位上弹起来的情况。

（5）主动安全系统

MEMS加速计以及陀螺仪是两种完全能够满足汽车主动安全系统要求的传感器。一般来说，涉及车身控制的汽车主动安全系统包括：汽车翻滚控制、汽车防滑稳定性控制、防抱死系统、停车制动、胎压监测、悬架对车辆以及路况的自适应调节等系统。MEMS传感器具有高精密度和准确性，占位空间非常小，能够与其他系统高度集成为一体，从而可以瞬间检测到那些功能系统发出的任何信息。

汽车安全系统所采用的传感器正呈现由孤立的传感器朝着一体化模块的方向发展。在汽车主动安全系统中，新型的传感器系统有望在未来几年出现，其中包括：侧碰气囊的压力传感器、用于车与车之间感测的RF MEMS传感器和跟CCD成像处理配合使用MEMS光学传感器等。下一代汽车安全系统传感器有望是一种一体化的传感器系统，它采用公共信号来操作多个系统，例如，一个加速度传感器既为安全气囊提供信号，也为车身控制系统提供信号。这种新型的传感器系统将高度依赖于先进的软件系统来实现，从而进一步提高汽车的安全性。

2. 发动机和动力系统

各种各样的MEMS传感器被用在现代汽车的发动机上，其中一些传感器如下：用压力传感器进行歧管控制、气流控制、排气分析和控制、燃料泵压力和燃料喷射控制、机轴定位、传递力和压力控制以及发动机爆燃检测等。

歧管绝对压力（MAP）传感器是20世纪80年代初用在汽车工业的第一个微传感器。这种点火定时和最优空气/燃料比例可以优化发动机的功率性能以降低排放。例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。中国第一个国际汽车品牌MG名爵刚出炉的跑车MG TF，MG TF中大量应用了MEMS传感器，例如采用了低损耗进气系统和降低背压的排气系统，不仅提高了汽缸的工作效率，也有利于省油和提高排放标准。同时，搭配先进的MEMS引擎控制系统，能够同时满足驾驶者在操控性与燃油经济性方面的双重要求。

3. 舒适和便利系统

采用大量的MEMS传感器可使得汽车更加智能化，变得舒适和便利。例如座椅控制系统采用的位移微传感器和微型阀；一些空气质量、气流、温度和湿度微型传感器可以使驾驶员和乘车人员感觉更加舒适；远距离状态监测和控制和用于挡风玻璃除雾的微传感器可以增加汽车的安全性；另外，利用姿态测量技术的卫星导航系统，用陀螺微传感器对汽车行驶中航向角的变化量进行测量，单片机对测得的数据进行处理后控制伺服系统驱动伺服马达，转动天线使得天线中心轴始终对准卫星，确保汽车在行驶过程中接收卫星电视直播节目能正常工作，并对长时间行驶累积的误差进行修正。1994年，德国宝马汽车公司第一个在它生产的“7”系列的顶级汽车上提供卫星导航设备。

4. 汽车诊断和健康监测系统

随着集成电路和MEMS技术的发展，为汽车提供了速度快捷、功能强大、性能可靠、成本低廉的汽车电子控制系统。同时也带来了新的问题，就是电子控制系统自身的突发故障会导致汽车失控和不能运行。因此，从安全性和维修便利的角度来看，汽车电控系统都应具备故障自诊断功能。车内空气污染对有车族的健康构成了新的威胁（主要是一氧化碳），所以汽车健康监测系统也是必不可少的。在诊断和健康监测系统中常用的MEMS传感器主要有：检测发动机冷却液温度的温度微传感器；检测轮胎压力、制动油压力、润滑油压力和燃料压力的压力微传感器；检测有害气体一氧化碳等的气体微传感器等。例如胎压监测系统是在每一个轮框内安装微型压力传感器来测量轮胎的气压，并通过无线发射器将信息传到驾驶前方的监视器上。轮胎压力太低时，系统会自动发出警报，提醒驾驶员及时处理。这样不但可以确保汽车在行驶中的安全，还能保护胎面，延长轮胎使用寿命并达到省油的目的。根据美国汽车工程师学会统计，美国每年约有26万起交通事故是由于轮胎气压偏低或漏气造成的；而每年75%的轮胎故障是由于轮胎漏气或充气不足所引起的。由于上述的原因，美国立法规定新车必须安装轮胎压力监测系统。

随着MEMS技术的发展，未来的汽车将包含更多的微处理器和微传感器以及微执行器，使得汽车能成为真正“智能的”。