微型傳感器在汽車中的應(yīng)用

安全、舒適、無污染、經(jīng)濟(jì)性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)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(shí)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?cè)谄�車的�?yīng)用受到很大的限制。 近年來從半導(dǎo)體集成電路IC技術(shù)發(fā)展而來的MEMS Microelectromechnical System, 微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)日漸成熟。利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，可實(shí)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(diǎn)使得它們非常適合于汽車方面的應(yīng)用。 80年代初，微型壓阻式多路絕對(duì)壓力（Manifold Absolute Pressure）傳感器開始大批量生產(chǎn)，取代了早期采用LVDT技術(shù)的壓力傳感器。80年代中期微型加速度傳感器開始用于汽車安全氣囊,它們是到目前為止大量生產(chǎn)的、并在汽車中得到廣泛應(yīng)用的微型傳感器。然而微型傳感器的大規(guī)模應(yīng)用勢必將不限于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制和安全氣囊,在未來5～7年內(nèi)包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABSantilock brake system,防抱死系統(tǒng)）、車輛動(dòng)力學(xué)控制、自適應(yīng)導(dǎo)航、車輛行駛安全系統(tǒng)（如氣囊和障礙物檢測與避撞等）在內(nèi)的應(yīng)用將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場。 全世界的汽車產(chǎn)量將從2000年的4750萬輛包括客車、特種車輛和輕型卡車）增長到2005年的5400萬輛。2000年汽車用電子產(chǎn)品的市場為227億美元，預(yù)計(jì)到2005年達(dá)到309億美元，年平均增長率達(dá)到6.3。相應(yīng)的每部汽車在電子產(chǎn)品方面所花費(fèi)的成本從2000年的477美元增加到2005年的572美元。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元9.04億件產(chǎn)品），到2005年將達(dá)到84.5億美元12.68億件），增長率為6.5按美元計(jì)和7.0按產(chǎn)品件數(shù)計(jì)）。2000年北美所占汽車傳感器市場份額最大，為47，接下來分別是歐洲26,日本22,和韓國5。 速度和位置傳感器占2000年全部汽車傳感器市場以美元計(jì)）的38，接下來是氧氣傳感器（20、空氣質(zhì)量流量傳感器（13）、加速度計(jì)11）、壓力傳感器10）、溫度傳感器5及其他3）。 2000～2005年度汽車傳感器的主要增長領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：用于車輛動(dòng)力學(xué)控制和安全氣囊的加速度計(jì)；用于傳動(dòng)、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器；用于車輛動(dòng)態(tài)控制、翻車報(bào)警和GPS后備的偏航速率傳感器；用于輪速以及凸輪軸、機(jī)軸、踏板位置敏感的位置傳感器；車廂環(huán)境監(jiān)控的濕度傳感器；日光、雨水和濕度傳感器；用于近距離障礙物檢測和避撞的測距傳感器。 汽車部件需要滿足多項(xiàng)環(huán)境、可靠性和成本等方面的要求。具體來說，它們一方面必須能經(jīng)受各種高低溫、振動(dòng)、沖擊、潮濕、腐蝕性氣氛、電磁干擾等不利因素的考驗(yàn)；另一方面也必須適于大批量生產(chǎn)，一般要達(dá)到每年一百萬件以上，這不僅是汽車量產(chǎn)的需求，也是收回設(shè)計(jì)和制造方面的巨額投資所必需的。此外，其可靠性也應(yīng)與汽車高達(dá)10年/15萬英里的使用壽命相一致�？偠�言之，汽車部件是“軍品的質(zhì)量，民品的價(jià)格”。 絕大多數(shù)微型傳感器采用硅材料。眾所周知，硅材料容易獲得很高的純度，有良好的機(jī)械性能且重量較輕，本身具有光電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)等多種傳感特性，且便于制作信號(hào)敏感與處理電路集成的傳感器。微型傳感器的主流工藝是硅基微機(jī)械加工工藝，它來源于已經(jīng)成熟的半導(dǎo)體工藝，可以同時(shí)加工出大量幾乎完全相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，除了具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)外，微型傳感器的可靠性較高，其供貨價(jià)格也可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)和工藝的傳感器。MEMS技術(shù)勢必將成為汽車傳感器的主流技術(shù)。最近的Roger Grace Associates/Nexus報(bào)告估計(jì)汽車用MEMS產(chǎn)品的銷售額將從2000年的17.5億美元增加到2005年的22.7億美元，年均增長率為16.9。 由于基于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，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器。早期的多路絕對(duì)壓力傳感器已經(jīng)基本為微型化的傳感器所替代，目前這種傳感器的敏感元件和信號(hào)處理電路已經(jīng)可以集成在同一芯片上，從而大大縮小了體積并可以提高可靠性和減小干擾。 在其它壓力敏感應(yīng)用，特別是惡劣環(huán)境中（如置于發(fā)動(dòng)機(jī)油和散熱器冷卻劑中的），一般采用分立元件構(gòu)成的陶瓷電容式壓力開關(guān)，它們現(xiàn)在將逐步被用鍵合方法制作的硅應(yīng)變計(jì)（一般固定在成本低而堅(jiān)固的封裝中）或壓敏電阻芯片（裝在帶不銹鋼膜片端蓋的充滿硅油的硅制外殼中所替代。目前可以提供這類產(chǎn)品的廠商有Keller, Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco以及Integrated Sensor SolutionsISS/Texas Instruments。質(zhì)量流量傳感器通常是用分立的熱線構(gòu)成的，而目前Bosch公司利用表面微機(jī)械方法制作的微型化的傳感器已經(jīng)顯示出其顯著的優(yōu)勢。用于安全氣囊的撞擊傳感器已從簡單的“球—管”Ball And Tube式傳感器演化為微型化和集成的加速度計(jì)，目前的主要廠商有ADI, Motorola, SensoNor,和Nippondenso等。其中Motorola 的微型加速度計(jì)產(chǎn)品如圖2所示。此外用量很大的輪速傳感器（用于ABS及車輛動(dòng)力學(xué)控制）也將由傳統(tǒng)的變磁阻式向霍爾式、各向異性磁阻比AMR和巨磁阻比GMR式發(fā)展。以上分析和實(shí)例說明微型化是現(xiàn)有汽車用傳感器發(fā)展的主要方向。 本節(jié)將對(duì)微型傳感器在汽車中的主要應(yīng)用方向進(jìn)行分析，它們包括安全系統(tǒng)、提高舒適性/方便性/防盜、發(fā)動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)鏈以及車輛監(jiān)控和自診斷等四個(gè)方面。 安全氣囊目前是而且將來也是MEMS的一個(gè)主要應(yīng)用。所用的硅基加速度計(jì)的量程一般為50g。除了ADI公司外，一般的加速度計(jì)仍由多芯片組件構(gòu)成，提供經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)。ADI則采用較為先進(jìn)的單片式集成方法，在同一芯片上同時(shí)制作出加速度敏感元件與相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。 不少廠商已對(duì)利用壓縮空氣來代替打開氣囊時(shí)所常用的鈉基化合物炸藥或作為它的一種補(bǔ)充進(jìn)行了研究。為此研究了用于檢測壓縮空氣缸壓力的傳感器，但目前尚未實(shí)際應(yīng)用。 懸掛系統(tǒng)應(yīng)該能夠在高速轉(zhuǎn)向時(shí)、在凹凸不平的路面上行駛時(shí)以及突然加速和剎車時(shí)讓車輛仍具有較好的駕駛性能。許多系統(tǒng)采用的是總體式閉環(huán)控制。完全主動(dòng)式的系統(tǒng)非常昂貴（2500～4000美元），其所用的液壓作傳動(dòng)裝置將消耗很大一部分功率，而且大大增加了重量。這些系統(tǒng)的引入確實(shí)改善了車輛的性能，但也大大增加了成本。因此它們?cè)诖笈�量生產(chǎn)的汽車上的應(yīng)用受到了限制。不過，許多廠商引入了半主動(dòng)控制的懸掛系統(tǒng)。其中一些在減震器上安裝了位移傳感器并采用了不少線加速度計(jì)。這方面的應(yīng)用要求的加速度量程僅為±2g的量級(jí)，它們?yōu)槲⑿蛡鞲衅鞯膽?yīng)用提供了很好的機(jī)會(huì)。