微型傳感器在汽車工程方面的成功應(yīng)用

引言

　　現(xiàn)代汽車正由一個單純交通工具朝著能滿足人類需求和安全、舒適、方便及無污染的方向發(fā)展。要實現(xiàn)這些目標的關(guān)鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時獲取，這勢必要求在汽車中大量采用各種傳感器。傳統(tǒng)的傳感器往往體積和重量大、成本高，它們在汽車的應(yīng)用受到很大的限制。

　　近幾年來，從半導(dǎo)體集成電路（IC）技術(shù)發(fā)展而來的微機電系統(tǒng)（microelectronmechnicalsystem,MESM）技術(shù)日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實用性的微型機電器件，主要包括利用微型膜片的機械形變產(chǎn)生電信信號輸出的微型壓力傳感器和微型加速度傳感器；此外，還有微型溫度傳感器、磁場陳干起、氣體傳感器等，這些微型傳感器的面積大多在1mm2以下。隨著微電子加工技術(shù)，特別是納米加工技術(shù)的進一步發(fā)展，傳感器技術(shù)還將從微型傳感器進化到納米傳感器。這些微型傳感器體積小，可實現(xiàn)許多全新的功能，便于大批量和高精度生產(chǎn)，單件成本低，易構(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列，這些特點使它們非常適合于汽車方面的應(yīng)用。

　　1、汽車用傳感器分類

　　汽車用傳感器是用于汽車顯示和電控系統(tǒng)的各種傳感器的統(tǒng)稱。它涉及到很多的物理量傳感器和化學量傳感器。這些傳感器要么是使司機了解汽車各部分狀態(tài)的；要么是用于控制汽車各部分狀態(tài)的。按在汽車上的作用可分為控制發(fā)動機、控制底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器，構(gòu)成這些傳感器的材料有精細陶瓷、半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)纖維及高分子薄膜等；按輸出特性來分有模擬型傳感器和數(shù)字型傳感器；按構(gòu)成原理來分，有結(jié)構(gòu)型、韌性型和復(fù)合型。為方便起見，現(xiàn)按汽車傳感器的控制對象來分類，如表1所示。

　　2、微型傳感器在汽車中的應(yīng)用

　　汽車上用的傳感器的種類很多，應(yīng)用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車發(fā)動機控制、安全系統(tǒng)、車輛監(jiān)控和自診斷等方面的應(yīng)用。

　　2.1汽車發(fā)動機控制用傳感器

　　發(fā)動機的電子控制一直被認為是MEMS技術(shù)在汽車中的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等：這些傳感器向發(fā)動機的電子控制單元提供發(fā)動機的工作狀況信息，供電子控制單元對發(fā)動機工作狀況進行精確控制，以提高發(fā)動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。

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　　汽車用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式3種主要類型。這3種類型傳感器各有特點，其應(yīng)用場合也略有區(qū)引。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特性較好，但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為—50～30℃，精度為1.5%，響應(yīng)時間為10ms；高溫型為600～1000cC，精度為5%，響應(yīng)時間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器（測溫范圍為-40～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器（測溫范圍為-40～150℃，精度為2.0%，5%，響應(yīng)時間約20ms）等。

?????（2）壓力傳感器

　　壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器，主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。目前。致力于汽車用壓力傳感器開發(fā)和生產(chǎn)的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器，LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，西門子，德州儀器等。

　　比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓，測量范圍為20～100kPa，其特點是輸入能量高，動態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好；壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大，需要另設(shè)溫度補償電路，但適應(yīng)于大批量生產(chǎn)；差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差；聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特點，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作。

　　德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KPS00內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感模塊，它不需要在傳感器模塊中增加加速度傳感器，可以在汽車啟動時自動開機進入自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機械加工技術(shù)集成在0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS）上。每個傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲器中存儲著唯一的32位芯片識別碼。芯片識別碼可以由同步串行接口讀出，而且，可以用于辨識各個輪胎壓力傳感器的位置。在接收數(shù)據(jù)的時候，首先，要檢查芯片識別碼，如果發(fā)現(xiàn)芯片識別碼不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。

　　（3）流量傳感器

　　流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數(shù)之一?？諝饬髁總鞲衅鞯墓δ埽焊兄諝饬髁康拇笮。⑥D(zhuǎn)換成電信號傳輸給發(fā)動機的電子控制單元?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g(shù)指標：工作范圍為0.11～103m3/min，工作溫度為—40～120℃，精度≤1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有水輪式和循環(huán)球式，其動態(tài)范圍為0～60kg/h，工作溫度為—40～12℃，精度為±1%，響應(yīng)時間<10ms。

　　Honeywell的下屬微開關(guān)（microswitch）公司用熱微細加工技術(shù)制作出了微橋式空氣流量傳感器芯片，它用微細加工技術(shù)在硅圓片上加工出空腔，鉑電阻懸掛在空腔之上。當空氣流過器件時，發(fā)生了從空氣流動方向下方到上方的熱傳輸，因而，下方電阻被冷卻，上方電阻被加熱，由電橋電阻變化可測量出空氣流量。

　　（4）位置和轉(zhuǎn)速傳感器

　　曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等，為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號，同時，提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。目前，汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測量范圍為0°～360°，精度優(yōu)于±0.5°，測彎曲角達±0.1°。

　　車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的，還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當車速高于100km/h時，一般測量方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍為0.5—250km/h，重復(fù)精度為0.1%，距離測量誤差優(yōu)于為0.3%。

　?。?）氣體濃度傳感器

　　氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，它檢測汽車尾氣中的氧含量，根據(jù)排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機控制裝置發(fā)出反饋信號，以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺傳感器（使用溫度為-40～900℃，精度為1%）、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器（使用溫度為300～800℃）、固體電解貢式氧化鉻氣體傳感器（使用溫度為0～400℃.精度為0.5%），另外，還有二氧化鈦氧傳感器以及二氧化鋯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點：二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化鈀厚膜參數(shù)電極、不透水層、電極接觸和保護層構(gòu)成。其中，氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯由反應(yīng)濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝制作。在理想的A/F點附近的輸出電壓發(fā)生驟變，當空燃比變高，廢氣中的氧濃度增加時，氧傳感器的輸出電壓減?。划斂杖急茸兊?，廢氣中的氧濃度降低時，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號，對噴油量進行修正，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)空燃比，使其在理想空燃比附近變動。

　2.3車輛監(jiān)控和自診斷用傳感器

　　在車輛監(jiān)控和自診斷方面，MEMS技術(shù)的一個主要應(yīng)用將是輪胎壓力監(jiān)測；其次是應(yīng)用于冷卻、剎車等系統(tǒng)的傳感器。此外，還有如像在亮度控制系統(tǒng)中使用光傳感器；在電子駕駛系統(tǒng)中使用磁傳感器、氣流速度傳感器；在自動空調(diào)系統(tǒng)中使用室內(nèi)溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器；在導(dǎo)向行駛系統(tǒng)中使用方位傳感器、車速傳感器等。

　　2.4高溫微電子在汽車中的應(yīng)用

　　高溫微電子在汽車發(fā)動機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動力管理及分配等方面的監(jiān)控中都起著非常重要的作用。例如：用于發(fā)動機控制的高溫微電子傳感器和控制器將有助于燃燒的更好監(jiān)測和控制，它將使燃燒的更加徹底，提高燃燒效率。但是，用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體技術(shù)制作的微電子器件由于不能在很高的溫度下工作，已不能勝任。為了解決在高溫環(huán)境下溫度測量問題，必須研制一種新的材料來取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。第三代寬能帶半導(dǎo)體材料SiC具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率及抗輻照能力強等一系列優(yōu)點，特別適合制作高溫、高壓、高功率、耐輻照等半導(dǎo)體器件。集成的SiC傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸，這樣，能進一步獲得有關(guān)燃料燃燒效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明：一旦SiC半導(dǎo)體技術(shù)能解決好材料、封裝等技術(shù)而得到進一步的發(fā)展，SiC功率器件的工作范圍將超過傳統(tǒng)的硅功率器件，而且，其體積比Si功率器件也要小。

　　3、結(jié)束語

　　由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。

　　基于MEMS技術(shù)的微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的傳感器。隨著納米技術(shù)的進步，體積更小、造價更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應(yīng)用在汽車的各個方面。在未來幾年內(nèi)，包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、剎車防抱死系統(tǒng)、車輛動力學控制、自適應(yīng)導(dǎo)航、車輛行駛安全系統(tǒng)在內(nèi)的應(yīng)用將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場。