微型傳感器在汽車上的應(yīng)用

　　安全、舒適、無污染、經(jīng)濟性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實現(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)動機燃燒控制和安全氣囊,在未來5～7年內(nèi)包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABS（antilock brake system,防抱死系統(tǒng)）、車輛動力學(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)計到2005年達到309億美元，年平均增長率達到6.3%。相應(yīng)的每部汽車在電子產(chǎn)品方面所花費的成本從2000年的477美元增加到2005年的572美元。 

　　據(jù)文獻報道，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年將達到84.5億美元（12.68億件），增長率為 6.5%（按美元計）和7.0%（按產(chǎn)品件數(shù)計）。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）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（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)域包括以下幾個方面：用于車輛動力學(xué)控制和安全氣囊的加速度計；用于傳動、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器；用于車輛動態(tài)控制、翻車報警和GPS后備的偏航速率傳感器；用于輪速以及凸輪軸、機軸、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、沖擊、潮濕、腐蝕性氣氛、電磁干擾等不利因素的考驗；另一方面也必須適于大批量生產(chǎn)，一般要達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10年/15萬英里的使用壽命相一致。總而言之，汽車部件是“軍品的質(zhì)量，民品的價格”。 

　　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，可以同時加工出大量幾乎完全相同的機械結(jié)構(gòu)。因此，除了具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點外，微型傳感器的可靠性較高，其供貨價格也可以遠遠低于采用傳統(tǒng)機電技術(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報告估計汽車用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)機電技術(shù)的傳感器。早期的多路絕對壓力傳感器已經(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)動機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（一般固定在成本低而堅固的封裝中）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