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贡献者：angelazhang 浏览：1203次 创建时间：2015-01-20
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智能安全气囊
智能安全气囊就是在普通型的基础上增加传感器，以探测出座椅上的乘员是儿童还是成年人，他们系好的安全带以及所处的位置是怎样的高度，通过采集这些数据，由电子计算机软件分析和处理控制安全气囊的膨胀，使其发挥最佳作用，避免安全气囊出现无必要的膨胀，从而极大地提高其安全作用。智能安全气囊比普通型主要多了两个核心元件，即传感器及其与之配套的计算机软件。
1简介
目前使用的传感器主要有：重量传感器，根据座椅上的重量感知是否有人，是大人还是小孩；电子区域传感器，能在驾驶室中产生一个低能量的电子区域，测量通过该区域的电流测定乘员的存在和位置；红外线传感器，根据热量探测人的存在，以区别于无生命的东西；光学传感器，如同一台照相机注视着座椅，并与存储的空座椅的图像进行比较，以判别人体的存在和位置；超声波传感器，通过发射超声波，然后分析遇到的物体后的反射波探明乘员的存在和位置。
设计开发智能安全气囊的另一个重要工作就是编制计算机软件。一般地说，计算机软件要能根据乘员的身材、体重、是否系好安全带、人在座椅上所处位置、车辆碰撞时的车速以及撞击程度等，并在一刹那间就做出反应，调整安全气囊的膨胀时机、速度和程度，使安全气囊对乘客提供最合理和最有效的保护，特别是减少对儿童等身体矮小者的伤害。
2安全气囊的问世原因
有统计称，安全气囊出故障的比例大约为5—10%。它出故障有两方面情况：一是遇到车祸打不开，起不到一点点保护效果；二是没遇到车祸它打开了，无缘无故吓您一跳。由于设计或生产的原因，安全气囊的失误会给消费者带来巨大的经济损失和人身伤害。6月5日上午，浙江湖州的张林萍女士开着半年前买来的神龙富康988型轿车，送父亲去市郊的一处工地上班，离目的地不到1公里时，只听车内一声闷响，然后车内弥漫着烟雾，并散发出一股刺鼻子的气味，原来是安全气囊“自爆”了。美国全国高速公路安全委员会日前表示，福特汽车公司将召回1999年到2000年推出的43459辆林肯Continental型汽车，原因是汽车安全气囊可能会不正常弹出。由此可以看出安全气囊安全系数不太高。智能安全气囊将问世为了防止此类事故发生，汽车厂商目前正在研制一种能够看得见乘客一举一动，并且可以当危险存在时自动打开或关闭的智能安全气囊。其中某些高级产品甚至可以根据乘客所处的位置调整气囊打开的力度。这种智能安全气囊的技术关键是乘客感应系统。乘客感应统是在三种感应方法基础上产生的，即重量感应、位置感应和监视器感应。其中监视器感应效果最好，但是成本最高。位置感应是通过红外线的反射来测定乘客是否处在正常的位置，从而采取相应措施。重量感应则是通过测定座位承受重量的大小和方位来反映乘客的位置，但它还需要其他感应器来配合，以确认坐在座位上的是人而不是一只箱子。但对于任何一种系统，都必须能很快根据乘客位置的调整计算出是否需要关闭安全气囊。
3安全气囊的化学原理
汽车的安全气囊内有叠氮化钠（NaN3）或硝酸铵（NH4NO3）等物质。当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时，这些物质会迅速发生分解反应，产生大量气体，充满气囊。[叠氮化钠分解产生氮气和固态钠；硝酸铵分解产生大量的一氧化二氮（N2O）气体和水蒸气
新型安全气囊加入了可分级充气或释放压力的装置，以防止一次突然点爆产生的巨大压力对人头部产生的伤害，特别在乘客未佩戴安全带的时候，可导致生命危险。
4安全气囊具体形式
分级点爆装置
即气体发生器分两级点爆，第一级产生约40%的气体容积，远低于最大压力，对人头部移动产生缓冲作用，第二级点爆产生剩余气体，并且达到最大压力。总的来说，两级点爆的最大压力小于单级点爆。这种形式，压力逐步增加。
分级释放压力方式
囊袋上开有泄压孔或可调节压力的孔，分为完全凭借气体压力顶开的方式或电脑控制的拉片Tether。这种方式，一开始压力达到设定极限，然后瞬时释放压力，以避免过大伤害。
5何为安全气囊
安全气囊系统称为SRS，相对于安全带，安全气囊只是一个辅助保护设备。安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氦气填充。此系统由一个传感器激活，该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。在碰撞发生的早期，安全气囊开始充气，安全充气大约需要0.03秒。安全气囊可以非常快的速度充气十分重要，这能确保当乘客的身体被安全带束缚不动而头部仍然向前行进时，安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率，确保让人的身体部位缓慢地减速。由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时，碰撞时如果人的乘坐姿势不正确，将给人带来严重的伤害。
如果前排装备了安全气囊，不要让6岁或140CM以下的儿童坐在前座，更不要将婴儿座椅安置在前乘客座。
安全最为重要 现场爆破的安全气囊是VOLVOS80的双段式前安全气囊，分为两段激活式，能够根据碰撞强度设定气囊的充气压力，更加人性化地保护驾驶者的人身安全。严重碰撞时，气囊迅速充气，压力最大；非严重碰撞时，气囊先充70%的气体，经过0.1秒的间隔后再充30%的气体，从而来减小充气压力，让人的头部与气囊更柔和地接触。VOLVOS80轿车配备有22个安全气囊，有前部先进的双段式安全气囊，安装在前乘客座上的保护乘客胸部的SIPS防侧撞气囊，还有保护侧面乘客头部的IC气帘等。
瑞典VOLVO轿车以安全高质闻名于世，1959年VOLVO的工程师发明了三点式安全带，至今已拯救了数百万人的生命。
在正面撞车时，安全带是最重要的安全设施，但实际上在严重碰撞中它也只能避免头部受重伤。因为尽管有安全带，但在发生严重碰撞时人的上身还是会由于巨大的惯性而往前冲。所以安全带只有与气囊配合起来，才能使乘客在重大事故中得到最好的保护。
6FRAM技术
汽车安全系统在未来数年间将变得越来越趋于精密。这一趋势会影响到attach rate 以及安全气囊系统和汽车稳定性控制系统的复杂程度。随着这些系统中的电子部分越来越重要，同时对半导体存储器的容量要求也随之增长。本文概述了在设计新一代安全气囊系统存储方案时应该考虑的问题。
目前汽车安全气囊系统引入了两项主要的创新技术。第一，新型的安全气囊系统增加了“智能性”：不同于以往系统一律采用最大的展开力。仿佛所有的事故和乘客都是一模一样的，新系统是根据事故和乘客的具体参数来决定气囊的展开力度。这些参数可能包括碰撞的严重程度、乘客的体重和座椅相对气囊的位置等。这种可变的展开力将会大受那些曾有过普通安全气囊冲击而造成不愉快经验人士的欢迎。智能型气囊还能识别乘客座椅是否空置，以决定需不需要使用乘客安全气囊。考虑到每辆车的安全气囊数目正在增多加上即使发生小事故也必需更换的成本支出，这种创新的技术将有助于用户省下相当可观的维修和保险成本。
第二，越来越多的车辆安装了事故数据记录仪 (EDR)，用来收集碰撞相关的信息，类似于飞机“黑匣子”。EDR 功能一般被包含在安全气囊电子控制单元 (ECU) 中。这样置配很自然，因为 EDR 没有飞机黑匣子的那种存活性要求，安全气囊控制器主要是接收各个重要传感器的输入信息。而车辆制造商也指出没有空间安装独立式的 EDR。
这两种安全气囊存储应用对存储器的要求都相当高，但彼此差异很大。鉴于在严重的事故中，系统很有可能掉电，因此都需要非易失性存储器。事故重建意味着事故前后的相关数据必须存储在系统可写入的可靠的非易失性存储器中。
在“智能安全气囊”系统上ECU 设计人员希望针对具体的事故采用合适的展开力。这就不仅需要加速度信息同时也需要乘客信息。新型的智能安全气囊系统对存储器有独特的要求，即需要把直到事故发生前的乘客信息都记录下来，其中包括座椅位置和乘客体重。为了在事故之前能够获得有关乘客情况的可靠记录，就必需连续存储信息。送往安全气囊 ECU 的参数数据是由车辆内部的加速度传感器和传感器产生的。这种连续存储需要能够远比传统闪存写入更频繁的存储技术。
EDR 技术的关键在于所需的数据量及存储这些数据所需要的时间。新的规范将大大扩展需要采集的数据。当发生严重事故时，极有可能出现掉电情况。对于这种情况，EDR 系统必须赶在系统电源失去之前把数据保存下来。事故中，供电可能会突然失去，而传统的非易失性存储解决方案需要很长的时间来对新信息进行写入。
非易失性铁电存储器 (FRAM) 便提供了能解决上述需求的技术能力。它和其它非易失性方案一样都能提供可靠的非易失性存储能力，特别出众之处在于它的可擦写次数非常多，写入速度也极快。
安全气囊应用中最常选用带有串行外设接口 (SPI) 的5V工作电压FRAM存储器。这些器件可以在很高的总线接口速度下进行写操作，具有超过1万亿次 (1后面12个零！) 的擦写次数，足以让智能安全气囊连续写入，以提供无缝的乘客数据记录。串行速度可以从5MHz 到 20MHz间的FRAM 且无延迟写操作能够让主处理器尽可能快地存储数据，几乎没有信息丢失的风险。FRAM具备的非易失性特点、无限的擦写次数，以及快速数据写入能力，是下一代安全气囊系统的理想存储器。
汽车安全系统在未来数年间将变得越来越趋于精密。推动这一重要规格的趋势将会同时冲击安全气囊系统的数据捕捉率和精密度以及控制系统的稳定性。
7创新技术
安全气囊储存应用
第一，新型的安全气囊系统增加了“智能性”，不同于以往系统一律采用最大的展开力，好像所有的事故和乘客都是一模一样的。新系统是根据事故和乘客的具体参数来决定气囊的展开力度。这些参数可能包括碰撞的严重程度、乘客的体重和座椅相对气囊的位置等。这种可变的展开力将会大受那些曾有过普通安全气囊冲击而造成不愉快经验的人士欢迎。智能气囊还能识别乘客座椅是否空置，以决定需不需要展开乘客安全气囊。
第二，越来越多的车辆安装了事故数据记录仪（EDR，Event Data Recorder），是以用来收集碰撞相关的资讯，类似于飞机“黑匣子”。EDR功能一般被包含在安全气囊电子控制单元（ECU）中。这种置配很自然，因为EDR没有飞机黑匣子的那种存活性要求，安全气囊控制器主要是接收各个重要感测器的输入资讯。而车辆制造商也指出没有空间安装独立式的EDR。
这两种安全气囊储存应用都有记忆体需求，但彼此差异很大。鉴于在严重的事故中，系统很有可能掉电，因此都需要非挥发性记忆体。
独特记忆体用于新安全气囊
在“智能安全气囊”系统上ECU设计人员希望针对具体的事故采用合适的展开力。这就不仅需要加速资讯，同时也需要乘客资讯。新型的智能安全气囊系统对记忆体有独特的要求，即需要把直到事故发生前的乘客资讯都记录下来，其中包括座椅位置和乘客体重。为了在事故之前能够获得有关乘客情况的可靠记录，就必需连续储存资讯。送往安全气囊ECU的参数资料是由车辆内部的加速感测器和感应器产生的。这种连续储存需要能够远比传统快闪记忆体写入更频繁的记忆体技术。
EDR技术的关键在于所需的资料量及储存这些资料所需要的时间。新的规范将大大扩展需要采集的资料。当发生严重事故时，极有可能出现掉电情况。对于这种情况，EDR系统必须赶在系统电源失去之前把资料保存下来。事故中，供电可能会突然失去，而传统的非挥发性储存解决方桉需要很长的时间来对新资讯进行写入。
非挥发性铁电记忆体
非挥发性铁电记忆体（FRAM）便提供了能解决上述需求的技术能力。它和其他非挥发性方桉一样都能提供可靠的非挥发性储存能力，特别出众之处在于它的可读写次数非常多，写入速度也极快。
安全气囊应用中最常选用带有串列外设界面（SPI）的5V工作电压FRAM记忆体。这些器件具有超过1万亿次（1后面12个零）的擦写次数，足以让智能安全气囊连续写入，以提供无缝的乘客资料记录。这些器件也可以在汇流排界面速度下进行写操作，速度可以从5MHz到20MHz搭配无延迟（NoDelay?）写操作能够让主处理器尽可能快地储存资料，几乎没有资讯丢失的风险。FRAM具备的非挥发性特点、无限的擦写次数，以及快速资料写入能力，是下一代安全气囊系统的理想记忆体。
采用标准CMOS制程制造
FRAM单元采用业界标准CMOS制程制造，通过两个电极板之间的铁电晶体来形成电容，类似于DRAM电容的构造。但是不像一般的挥发性记忆体那样把数据作为电容上的电荷来储存，FRAM是把数据储存在铁电晶体内。当在铁电晶体上施加一定电场时，晶阵的中心原子在电场作用下沿电场方向在晶体内运动，它通过一个能量壁垒（energy barrier）造成电荷尖峰。内部电路感测到这一电荷尖峰，并且设置记忆体。电场消失后，中心原子会保持在原来的位置，从而保存记忆体的状态。
所以，FRAM记忆体不需要定期刷新，掉电后仍然会保存数据。它的速度很快，而且实际没有寿命限制。这些特性使它完全能够以极小的时间间隔写入数据，从而确保所保存状态的正确性。例如，一个16-Kbit（2K byte）的器件可以超低功耗在3.3毫秒内被写入。另外，它能够每秒刷新10,000次（每100微秒写一次），工作寿命长达25,000小时。
最近，韩国现代汽车（Hyundai Autonet）决定在它的下一代智能安全气囊系统中采用非挥发性铁电随机存取记忆体（FRAM）。而现代汽车是继美国、亚洲、日本和欧洲另外8家汽车制造商之后，选用FRAM技术来为智能安全气囊系统和相关的碰撞事故资料记录仪提供“智能性”的又一家知名公司。
以前汽车应用中所用的主要非挥发性储存技术是浮栅器件，如EEPROM或快闪记忆体。浮栅器件通过一层SiO2 薄膜把多晶硅栅与沟道隔离开来。要对器件进行编程，需在控制栅上产生很高的电压，使得电子可获得足够的动能，穿透隔离层，将电子（N沟道器件）加速到源极。沟道中形成了一个消耗区，这样，在特定的栅极电压下，已被编程的部分被置于“off（较高阻抗）”，而没有被编程或没有被擦写的器件为“on（较低阻抗）”。
随着汽车设计要求的复杂性日益增加，浮栅储存技术的局限性越来越明显。在智能安全气囊系统中，不仅必需储存碰撞事故中的数据，还需要储存事故发生前的数据。由于安全气囊模组具有很大的电容，以便储存足够的能量来启动安全气囊，故在事故发生之后可能有足够的残馀电量把缓冲器中的数据写入到非挥发性记忆体中。能够写入的数据量取决于尚可用的电量，也即电容中的残馀能量和记忆体的写入速度。典型2K byte浮栅记忆体的写入速度可以达到约每5ms写入4位元组。因此，要写入整个浮栅记忆体可能需要超过1秒以上的时间。
Ramtron的FRAM技术把铁电材料和标准半导体晶片设计及制造技术结合在一起，推出了非挥发性记忆体和模拟∕溷合信号产品。这些产品具有快速读∕写性能、几乎无限的擦写次数和静态RAM（SRAM）的超低功耗，并在掉电时能够安全储存数据，这些都是标准RAM技术所无法提供的功能。
铁电薄膜放在CMOS基层之上，并置于两电极板之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。
8发展史
使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952年，美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这样一种汽车安全系统的必要性，几乎同时，这种系统的原理图也绘制了出来。1953年8月，赫特里克首次提出了“汽车用安全气囊防护装置”，并在美国获得了“汽车缓冲安全装置”专利。但是，由于当时技术水平的限制，还不能把这种想法或专利付诸实现。1966年，梅塞德斯-奔驰公司开始研发安全气囊装置，梅塞德斯的工程师们首先发明了碰撞传感器以及气体发生装置，让安全气囊能够在30毫秒内膨胀展开，他们还研制出了抗撕裂的气囊织物材料，改善了气囊的膨胀特性，最终，把整个装置设计安装在汽车的方向盘中。
在大约250次真车撞击试验，2 500次的台架试验，以及超过700万km的车辆路试之后，在1980年12月，同预张紧安全带一起，安全气囊被安装在了当时最新的奔驰S级轿车上。而从1985年起，奔驰在全部供应美国市场的汽车上都有安装了这种安全系统。到了1991年，差不多有28%的奔驰轿车都装备了驾驶员安全气囊，从最早装备安全气囊的奔驰S级轿车驶下生产线至今已经25年了。据美国国家公路安全管理部门（NHTSA）的统计，迄今为止，在美国的交通事故当中，安全气囊已保护了约14 200人的生命，而在德国，自1990年以来，安全气囊阻止了2 500例发生重大伤害的交通事故。据统计，安全气囊在严重的碰撞事故当中能够保护约三分之一的人员生还，另外，六分之一的驾驶员或前排乘客能够在碰撞中得到安全气囊的保护而被拯救。
安全气囊的使用明显提高了汽车的被动安全性。
目前，世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如在美国，相应的法规已从1989年起实施。该法规不仅要求所有的新车必须安装安全气囊，甚至对气囊的尺寸也有规定。美国人认为气囊越大越好，而欧洲的专家们则认为最好的方案应该是安全带和小尺寸气囊的配合使用。所以，欧洲的公司只生产小尺寸气囊。现在，在汽车上普遍的布置是一个气囊安装在驾驶盘上，另一个安装在驾驶员旁前排乘员的前面。现代气囊使用尼龙制成，内表面涂复了一层合成橡胶或硅橡胶来保证其气密性。气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体以利于撞击的缓冲。为避免气囊因长期叠置而成硬块，在气囊内部覆盖一层特殊的材料，它可使气囊的有效使用期达到15年。
奔驰公司作为最早安装安全气囊的厂家，至今为止已经在其制造的12 00万辆车上都装备了安全气囊。1992年，安全气囊就已经作为奔驰轿车一项标准配置。近年来，梅塞德斯的工程师们仍致力于研究改进安全气囊的技术，包括侧面安全气囊系统以及在事故中能够更好地做出响应的气囊控制系统。
安全气囊的使用明显提高了汽车的被动安全性。据资料统计，由于安全气囊在北美的广泛使用，使事故死亡率减少了12%，而且在安全气囊保护下人体的受伤程度也有所减轻。然而，汽车安全气囊系统也具有惊人的伤害无辜的负面效应，其中最主要的原因有两个方面。一方面，传统的正面碰撞安全气囊系统是根据前座乘员的常规乘坐位置和姿态以及气囊的理想点火时刻为准则设计的，而实际汽车碰撞事故中，影响安全气囊的保护效果的因素很多，例如乘员的身高和体重、乘员相对于方向盘或仪表板的位置、碰撞的剧烈程度等，不同的碰撞条件以及乘员位置的变化将会导致乘员不是在最佳时刻与气囊接触．从而降低对乘员的保护效果，有时还会伤及乘员的生命。
另一方面，虽然由尼龙或聚脂纤维布料等制成的气囊质量不大，但瞬间展开的速度却高达200km/h以上，这一冲击速度对人体而言并非一个小数目，根据美国国家公路安全管理部门的统计数据，安全气囊在碰撞交通事故中每挽救100名乘员生命的同时，也因气囊的不适当展开及乘员的不正确乘坐位置和坐姿，不幸导致57名乘员失去了生命。
在未来的几年当中，安全气囊仍然会在汽车安全设备中扮演重要的角色。工程师们在寻找的能够对可能发生的事故和汽车驾驶者进行自动调整的主动安全系统的可能性，新型智能化安全气囊的开发对新技术提出了更高的要求。安全气囊由于其工作采用的方式，其爆破力造成的冲击对人体也有一定的伤害。当驾驶员相对方向盘气囊衬盖的距离小于10cm时，在20～30毫秒内爆炸展开的气囊将会给驾驶员致命的冲击伤害。而副驾驶座上的成员如果没有保持合适的坐姿，在碰撞中导致受伤的可能性也会大大增加。
当前，安全气囊出现了两种发展趋势，美国和日本的汽车公司正在努力增大气囊尺寸来保护乘员。而欧洲一些汽车制造公司，如奔驰、宝马和沃尔沃等则认为，安全气囊本身决不是保障乘员的灵丹妙药，它必须在一个统一的汽车被动安全系统中才能有效地发挥作用，在这个系统中，一定要具备紧缩式安全带、结构可靠的座椅、儿童专用座椅和一系列其它部件。而且，最好在车身结构设计开始时就考虑到这个安全系统所有必须的组成部件的安装。
现在，在奔驰的PRE-SAFE预警式安全系统当中，安全气囊作为其主要的部分，由一个预警传感器控制，气囊可以在碰撞开始之前提前展开，在碰撞过程中以更好地缓冲碰撞能量。PRE-SAFE预警式安全系统进一步提高了安全带和安全气囊的保护效果，预警装置可以对即将发生的事故进行判断，在有可能发生碰撞的时候通过对座椅的调整和安全带的预张紧，让车内乘客在碰撞的时候得到最佳的保护，甚至会在碰撞瞬间提前引爆气囊，使碰撞时候的缓冲能力达到最佳。
未来安全气囊的智能化发展，还包括集成了先进的传感器技术和信息处理系统，它们在事故发生的短暂时间内能够提供可靠的碰撞环境方面的信息。这些信息包括汽车碰撞的剧烈程度、碰撞的形式（正碰撞或侧碰撞等）、乘员的身材、体重、乘坐位置和乘坐姿态，以及乘员是否系有安全带等等。智能安全气囊系统根据探测到的信息，通过其电子控制系统的计算分析，决定安全气囊何时及以何种程度展开，从而对乘员提供最优化的保护。
德国西门子公司和英国的Jaguar公司和均研制出了能够根据碰撞环境信息而控制气囊引爆的管理系统。西门子公司采用三维摄像机和座椅中的重量传感器识别坐在车内各座椅上的乘员的位置和坐姿，而Jaguar公司在其xK系列各车型上采用了自适应约束技术系统(ARTS)。这套系统利用超声波感测技术监测前排乘员的位置，同时还采用一系列其他传感器探测乘员的重量、司机相对方向盘的位置、安全带是否系好以及发生碰撞时碰撞的强度等。掌握了这些探测到的信息，ARTS就可以根据每个前排乘员的具体需要，利用本身固有的灵活性，确定安全气囊的触发时刻及展开强度，实现最佳的乘员保护效果，大大减少与气囊相关的伤害。
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