松下汽車類6軸單芯片MEMS慣性傳感器，提高車載系統(tǒng)的安全性和舒適性

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，在當(dāng)下的“萬(wàn)物電氣化（electrification of everything）”時(shí)代，傳感器已成為一個(gè)必不可少的先決條件：汽車、巴士、摩托車、無(wú)人送貨車、建筑機(jī)械和許多其它車輛配備越來(lái)越多的傳感器，以實(shí)現(xiàn)安全且舒適的輔助駕駛/自動(dòng)駕駛。全面的感知能力對(duì)于支持運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)融合等許多用途至關(guān)重要。

為此，松下機(jī)電（Panasonic Industry）開(kāi)發(fā)出汽車類6軸MEMS慣性傳感器系列，即MEMS慣性測(cè)量單元（IMU），該系列產(chǎn)品通過(guò)單芯片解決方案面向車載領(lǐng)域的功能安全（ISO26262）為車身穩(wěn)定控制、ADAS和自動(dòng)駕駛等系統(tǒng)提供慣性感知功能，并且符合ASIL-B(D)標(biāo)準(zhǔn)，具有高水平的功能安全性及自診斷功能。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器用例

過(guò)去用于車載系統(tǒng)的慣性傳感器，其角速度和加速度的感測(cè)元件是由多顆芯片構(gòu)成的，因此面臨因角速度和加速度的軸偏離而影響輸出精度的問(wèn)題。松下推出的新型高質(zhì)量、高可靠的6軸MEMS慣性傳感器系列，也稱為“6合1傳感器”，單顆芯片集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計(jì)，即利用基于單芯片MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高6軸正交性（軸間正交性≦0.01°），為提高車載系統(tǒng)的安全性能和設(shè)計(jì)自由度做出貢獻(xiàn)。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器采用單芯片解決方案

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器采用電容式MEMS感測(cè)技術(shù)，通過(guò)晶圓級(jí)封裝使得蓋帽、MEMS和ASIC形成一體，實(shí)現(xiàn)了小型化的6軸慣性傳感器，封裝尺寸為4.5 mm x 4.5 mm x 1.1 mm。由此，為車載系統(tǒng)的綜合化和車載ECU的小型化做出了貢獻(xiàn)。

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器剖面圖

該慣性傳感器封裝形式為可潤(rùn)濕側(cè)翼QFN。松下借助凹痕加工技術(shù)，使得這種封裝外殼引腳的側(cè)面能夠形成可目視的焊腳。由此，通過(guò)焊腳的目視檢查，即可確認(rèn)引腳是否已被正常地焊接到基板的焊盤上。這可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)裝配，這對(duì)于汽車安全性、舒適性，以及工業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要。

慣性傳感器封裝引腳凹痕加工示意圖

貼裝完后的慣性傳感器外觀示意圖

松下汽車類6軸MEMS慣性傳感器的一個(gè)關(guān)鍵用途是可以在劇烈振動(dòng)的情況下（例如當(dāng)汽車突然沖出道路時(shí)）檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)狀況，然后利用傳感器數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整馬達(dá)的扭矩和制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)安全的車輛狀態(tài)。

該6軸慣性傳感器還成功實(shí)施了與汽車安全相關(guān)的雷達(dá)（RADAR）/激光雷達(dá)（LiDAR）應(yīng)用。通常，雷達(dá)/激光雷達(dá)會(huì)出現(xiàn)安裝偏移，例如在車輛工廠組裝和經(jīng)銷商運(yùn)輸過(guò)程中。因此需要工廠或經(jīng)銷商對(duì)此類安裝偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，使其不影響雷達(dá)/激光雷達(dá)的探測(cè)方向或被探測(cè)物體在3D地圖中的位置精度。為此，工廠或經(jīng)銷商在靜止情況下使用3軸加速度計(jì)進(jìn)行傾斜檢測(cè)以測(cè)量安裝偏移，并且在運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，還會(huì)使用3軸陀螺儀來(lái)測(cè)量偏移。

雷達(dá)/激光雷達(dá)可以搭配6軸慣性傳感器以獲得姿態(tài)（橫滾、俯仰和偏航）及地理坐標(biāo)信息，助力自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)更加安全的導(dǎo)航和定位功能。對(duì)于掃描周期較長(zhǎng)的激光雷達(dá)等傳感器，車載系統(tǒng)需要將上一個(gè)周期檢測(cè)到的周圍環(huán)境3D點(diǎn)云與當(dāng)前周期檢測(cè)到的3D點(diǎn)云進(jìn)行比較。通過(guò)使用來(lái)自6軸慣性傳感器的車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以減少匹配上一個(gè)周期的3D點(diǎn)云和當(dāng)前周期的3D點(diǎn)云的計(jì)算量。

在汽車行駛時(shí)，6軸慣性傳感器能夠動(dòng)態(tài)地檢測(cè)道路的起伏，車載系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)可修正雷達(dá)/激光雷達(dá)照射位置或探測(cè)到的物體在地圖上的位置。尤其是在GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）信號(hào)被阻擋時(shí)（例如隧道中），基于慣性傳感器的航位推算（DR）可以計(jì)算出當(dāng)前車輛的位置，保證連續(xù)定位、穩(wěn)健駕駛。

除了這些與汽車安全相關(guān)的應(yīng)用之外，該6軸慣性傳感器還成功地應(yīng)用于AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示）系統(tǒng)等舒適性應(yīng)用。在這個(gè)用例中，慣性傳感器檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)，并可以使用“AR.markers”調(diào)整AR-HUD光束的位置，以便駕駛員以最佳方式觀看。另一個(gè)與舒適性相關(guān)的應(yīng)用是主動(dòng)懸架系統(tǒng)，其通過(guò)慣性傳感器采集車輛姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)主動(dòng)懸架控制器計(jì)算，向四輪減震器輸出軟硬不同的阻尼控制，最后通過(guò)控制四個(gè)減震器內(nèi)部的電磁閥來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整懸架軟硬。

松下目前正在進(jìn)行不同實(shí)施狀態(tài)的多個(gè)項(xiàng)目，推動(dòng)商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也使用6軸慣性傳感器。例如，自動(dòng)駕駛巴士可以借助6軸慣性傳感器來(lái)計(jì)算車輛是否在預(yù)定義的路徑上。自主叉車受益于6軸慣性傳感器提供的安全性和舒適性——例如防止貨物從叉車上掉落。這些也適用于其它“即將實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行”的機(jī)械——例如割草機(jī)、鐵路列車或壓實(shí)機(jī)。