車規(guī)級MEMS研究:單車100+MEMS傳感器,產(chǎn)品創(chuàng)新和國產(chǎn)化正顯著加速

佐思汽研發(fā)布了《2025年車規(guī)級MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器研究報告》。

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微機電系統(tǒng)），是一種將微機械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源模塊等按功能要求集成于芯片上的微型器件或系統(tǒng)。MEMS微機電系統(tǒng)主要可分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。

MEMS傳感器由MEMS芯片和ASIC芯片封裝構(gòu)成，MEMS芯片把外界的物理、化學(xué)、生物等信號轉(zhuǎn)換成電信號，ASIC芯片讀取上述電信號并進行處理、輸出，從而實現(xiàn)外部信息獲取的功能。與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS傳感器可以把配件全部集成在一塊很小的MEMS芯片上，具有高集成度、微型化、智能化、重量低、功耗低、多功能等優(yōu)點。

MEMS微機電系統(tǒng)的產(chǎn)品分類

來源：佐思汽研《2025年車規(guī)級MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器研究報告》

在汽車領(lǐng)域，MEMS傳感器廣泛應(yīng)用于汽車的ADAS系統(tǒng)、智能座艙、車身舒適系統(tǒng)、動力總成和底盤系統(tǒng)。主要應(yīng)用包括高精度定位、健康座艙（空氣質(zhì)量）、車內(nèi)心跳監(jiān)測、智能車鑰匙、主動降噪、熱泵空調(diào)、安全氣囊、發(fā)動機、電池管理系統(tǒng)（BMS）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)、防抱死系統(tǒng)（ABS）、電控懸掛以及胎壓監(jiān)控（TPMS）等汽車的各個部分。

MEMS傳感器在汽車中的應(yīng)用

來源：美新半導(dǎo)體

汽車應(yīng)用的MEMS產(chǎn)品中，壓力傳感器、慣性傳感器及麥克風(fēng)是使用最多的MEMS傳感器，占汽車MEMS系統(tǒng)的99%。未來隨著汽車智能化和系統(tǒng)集成化的趨勢以及MEMS相關(guān)器件的研發(fā)，將會有更多種類、數(shù)量的MEMS傳感器應(yīng)用到汽車上。

MEMS慣性傳感器：MEMS IMU在自動駕駛中的應(yīng)用將實現(xiàn)增長

MEMS慣性傳感器是新能源汽車智能駕駛感知的基礎(chǔ)，主要包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS IMU慣性測量單元，可用于測量車輛行駛時的加速度和角速度，提供實時的車輛運動姿態(tài)和運動軌跡。MEMS慣性傳感器（加速度計、陀螺儀）最早應(yīng)用于安全氣囊和電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，隨著汽車自動駕駛的發(fā)展，拓展了MEMS IMU在高精度定位和導(dǎo)航場景中的應(yīng)用。

MEMS IMU在經(jīng)典智駕方案中的應(yīng)用

來源：戴世智能

MEMS IMU內(nèi)部集成了MEMS加速度計、MEMS陀螺儀以及運動/姿態(tài)算法。在經(jīng)典智駕場景中，MEMS IMU常用于車輛定位與導(dǎo)航、運動狀態(tài)感知、環(huán)境感知輔助、控制與決策支持等模塊及功能中。

端到端智駕方案對IMU的進階需求

來源：戴世智能

在端到端智駕方案中，IMU集成至域控的方案已成為主流選擇。伴隨自動駕駛的演進，汽車對于感知及定位部分有著更高的準(zhǔn)確性和安全性要求，需要保證車輛位置信息高度準(zhǔn)確和可靠，尤其是L3及以上的自動駕駛車輛需要擁有更高精度的定位，對于MEMS IMU的要求會越來越高：

高精度與高穩(wěn)定性：高精度的IMU可以提供更準(zhǔn)確的車輛姿態(tài)信息，幫助系統(tǒng)更好地理解車輛在空間中的位置和方向。同時IMU的穩(wěn)定性對系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，在長時間運行過程中，IMU需要保持穩(wěn)定的性能，輸出可靠的數(shù)據(jù)，不受溫度變化、振動等環(huán)境因素的影響。

快速響應(yīng)與高更新頻率：端到端智能駕駛系統(tǒng)需要對環(huán)境變化做出快速響應(yīng)，因此IMU需要具有快速的響應(yīng)能力以及高頻率更新數(shù)據(jù)。

與深度學(xué)習(xí)模型的兼容性：端到端智能駕駛系統(tǒng)通常使用深度學(xué)習(xí)模型來處理傳感器數(shù)據(jù)，因此IMU需要提供與深度學(xué)習(xí)模型兼容的數(shù)據(jù)格式。

高可靠性與故障分析能力：端到端智能駕駛系統(tǒng)對安全性要求極高，包括在各種惡劣環(huán)境下的正常工作能力，如高溫、低溫、高濕度、強振動等環(huán)境，因此IMU需要具有高可靠性。同時由于端到端系統(tǒng)的復(fù)雜性，IMU需要具備故障檢測和診斷能力。而當(dāng)IMU出現(xiàn)故障時，智駕系統(tǒng)能夠及時檢測到故障，并采取相應(yīng)的措施，如切換到備用傳感器或降低車輛速度，以確保車輛的安全。

針對慣性導(dǎo)航、ADAS及自動駕駛應(yīng)用，2024年11月，村田制作所Murata推出了新款車規(guī)級6軸MEMS慣性傳感器SCH1633-D01，它是目前村田車規(guī)級IMU中體積最小的產(chǎn)品。

村田新款車規(guī)級6軸MEMS IMU——SCH1633-D01

該車規(guī)級6軸MEMS IMU內(nèi)部集成了3軸加速度計和3軸陀螺儀，加速度量程為±8g，角速度量程為±62.5dps~±300dps，內(nèi)置正交誤差補償，可實現(xiàn)極其平滑和高分辨率的輸出；該IMU還具備時間同步功能，可以提供結(jié)合GNSS的航位推算、車輛姿態(tài)測量、攝像頭/激光雷達/雷達的傾斜檢測等所需要的信號，解決這些信號之間存在的時間錯位問題。

在車規(guī)級MEMS IMU領(lǐng)域，目前較高精度的MEMS IMU大多依賴于海外進口。隨著國內(nèi)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢和契機，車規(guī)級MEMS IMU的國產(chǎn)化替代正在加速進行，矽睿科技、導(dǎo)遠科技、美泰科技、瑞聲科技、華芯半導(dǎo)體、戴世智能、新納傳感等國內(nèi)企業(yè)正在布局車規(guī)級MEMS IMU產(chǎn)品。

2024年7月，矽?？萍及l(fā)布了全新的六軸MEMS慣性測量單元QMI8A01/QMI8A01z。其中QMI8A01z已經(jīng)通過AEC-Q100 Grade2可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)。

矽?？萍剂SMEMS IMU產(chǎn)品QMI8A01/QMI8A01z主要技術(shù)特點

來源：佐思汽研《2025年車規(guī)級MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器研究報告》

QMI8A01z中的MEMS陀螺儀的板級靈敏度誤差達到±1%，MEMS加速度計的TCS達到了0.0025%/℃，在惡劣環(huán)境的使用場景中，能盡量減少環(huán)境帶來的影響，還有利于技術(shù)人員開發(fā)出靈活度更高的算法。此外，本系列器件支持 SPI、I2C、I3C通訊協(xié)議，而且為了降低應(yīng)用開發(fā)者的開發(fā)難度，傳感器內(nèi)置智能算法，主要集成了AnyMotion, No-Motion, SignificantMotion運動判斷引擎，可以檢測運動/靜止/持續(xù)運動等，并輸出相應(yīng)的中斷信號。

MEMS壓力傳感器：MEMS壓力傳感器在BMS中的熱失控監(jiān)測應(yīng)用將實現(xiàn)增長

MEMS壓力傳感器廣泛用于汽車的動力域、底盤域以及座艙域中。在傳統(tǒng)燃油車中，MEMS壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于變速箱和發(fā)動機等的壓力檢測。在新能源汽車領(lǐng)域，EV汽車的加速發(fā)展可能意味著傳統(tǒng)燃油車動力系統(tǒng)中對于壓力傳感器的需求將減速，與此同時，MEMS壓力傳感器也會出現(xiàn)一些新的應(yīng)用場景。比如，座艙域中的座椅壓力傳感器和熱泵空調(diào)壓力溫度復(fù)合傳感器、動力域中的電池包壓力傳感器等。其中，BMS系統(tǒng)中的熱失控監(jiān)測有望實現(xiàn)顯著增長。

目前新能源汽車動力電池以鋰電池為主，過充、過放、過熱、短路、高溫、擠壓、碰撞、進水等原因都有可能引發(fā)電池包熱失控現(xiàn)象。熱失控情況下，電池包內(nèi)部會發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，在化學(xué)反應(yīng)下會產(chǎn)生熱量和氣體，電池內(nèi)部壓力會增強，這時候可以通過壓力傳感器來檢測到電池包的壓力變化。

NXP電池壓力監(jiān)測傳感器NBP8-9x結(jié)構(gòu)框圖

來源：NXP

恩智浦的壓力傳感器產(chǎn)品系列NBP8和NBP9是一個完全集成的電池壓力監(jiān)控傳感器，該方案內(nèi)置MCU、壓力傳感器，集成了一個8位中央處理器CPU和恩智浦提供的固件。以NBP8xx系列產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品可以檢測壓力，當(dāng)檢測到壓力有變化時可以喚醒主MCU。壓力傳感器位于電池監(jiān)測單元內(nèi)，這里的壓力傳感器與主MCU通信，然后主MCU通知駕駛員在熱逸走爆發(fā)前趕快逃到車外。

MEMS麥克風(fēng)：智能駕駛感知應(yīng)用將成為車載MEMS硅麥的新增量

車載MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用可分為車內(nèi)拾音應(yīng)用和車外拾音應(yīng)用兩類，其中車內(nèi)拾音應(yīng)用主要包括免提通話、語音交互、主動降噪等，車外拾音應(yīng)用包括環(huán)境感知和外部語音拾取，用于道路狀況檢測、（救護車/警車）警報器檢測。

ADAS系統(tǒng)一般是基于攝像頭、雷達或激光雷達的位置采集，目標(biāo)對象必須要在其視線范圍內(nèi)才能被系統(tǒng)探測與識別。而在L3/L4自動駕駛系統(tǒng)中，對于緊急車輛逼近的檢測能力會有更高的要求。L3/L4自動駕駛要求車輛能夠檢測并響應(yīng)動態(tài)行車環(huán)境，例如救護車、警車等緊急服務(wù)車輛，如果在視線被遮擋的情況下，基于視覺的感知顯然是無法及時檢測到有緊急車輛的接近。

而車載MEMS麥克風(fēng)可以為車輛提供聽覺能力，在視覺傳感器之前通過MEMS麥克風(fēng)提前感知到緊急車輛的接近。麥克風(fēng)極高的靈敏度可以在人耳聽不到的情況下檢測到周圍的聲音，對靠近的物體提前警示，為駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)留出更多的時間來做出響應(yīng)，提高自動駕駛系統(tǒng)的安全性。

英飛凌攜手Reality AI共同打造出了一套能讓車輛擁有聽覺能力的先進傳感解決方案，該解決方案是在現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)上增加車載MEMS硅麥，通過聲音幫助智能駕駛，可以更好地實現(xiàn)對特殊車輛的避讓，并對盲區(qū)看不到的行人和車輛進行提前預(yù)警。

英飛凌基于車載MEMS硅麥IM67D130A打造的傳感解決方案框圖

來源：英飛凌

該傳感解決方案基于英飛凌XENSIV系列車載MEMS硅麥IM67D130A，結(jié)合AURIX微控制器MCU和Reality AI的“Automotive See-With-Sound”（SWS）系統(tǒng)打造而成。英飛凌車載MEMS硅麥IM67D130A低失真(THD)和130dB SPL的聲過載點 (AOP)，使得麥克風(fēng)能在嘈雜的環(huán)境中捕獲到無失真的音頻信號，從而對于隱藏在高背景噪聲或風(fēng)噪聲中的警報聲也能進行可靠的識別。

由于該系統(tǒng)采用基于機器學(xué)習(xí)的算法，即使駕駛員看不到，或車輛的ADAS傳感器無法檢測到緊急車輛、常規(guī)車輛及其他交通參與者，機器學(xué)習(xí)算法也能確保識別全球各個國家的緊急車輛鳴笛聲。

英飛凌通過Reality AI的“SWS系統(tǒng)”識別緊急車輛鳴笛聲

來源：英飛凌

為處理音頻信號，Reality AI軟件采用了英飛凌AURIX TC3x系列MCU。該可擴展的MCU系列提供從一核到六核的選擇范圍及高達16MB的閃存，能達到ISO26262 2018標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-D功能安全等級，并滿足EVITA的全面網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。