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- 微型傳感器在汽車中的應(yīng)用
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/2/11
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(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(jī)燃燒控制和安全氣囊,在未來5～7年內(nèi)包括發(fā)動機(jī)運(yùn)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(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)域包括以下幾個方面：用于車輛動力學(xué)控制和安全氣囊的加速度計(jì)；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(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、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�？偠灾�，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(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(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 Solutions（ISS）/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)動機(jī)/驅(qū)動鏈以及車輛監(jiān)控和自診斷等四個方面。
安全氣囊目前是而且將來也是MEMS的一個主要應(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。ADI則采用較為先進(jìn)的單片式集成方法，在同一芯片上同時制作出加速度敏感元件與相應(yīng)的信號調(diào)理電路，如圖3所示。
不少廠商已對利用壓縮空氣來代替打開氣囊時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、在凹凸不平的路面上行駛時以及突然加速和剎車時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。完全主動式的系統(tǒng)非常昂貴（2500～4000美元），其所用的液壓作傳動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。因此它們在大批量生產(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，它們?yōu)槲⑿蛡鞲衅鞯膽?yīng)用提供了很好的機(jī)會。
從1995年S級Mercedes轎車開始，硅基壓力傳感器已用于檢測主制動器氣缸的壓力。除角速率傳感器外，加速度傳感器、方向盤角度和車輪速度傳感器正逐步應(yīng)用于車輛動力學(xué)控制中。但是，大部分車輛僅使用車輪速度傳感器（ABS,牽引力控制）。目前，Bosch公司的表面微機(jī)械陀螺或Systron Donner和Matsushita的音叉式陀螺等角速率傳感器的單個售價為25美元，其應(yīng)用僅限于高級轎車，如Mercedes（S級）、BMW、Cadillac。多家著名的汽車及配件供應(yīng)商正在致力于設(shè)計(jì)性價比更高的系統(tǒng)。更廉價的基于MEMS技術(shù)的角速率傳感器將有助于這些系統(tǒng)在價格更低的汽車中應(yīng)用。
目前的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS（全球定位系統(tǒng)）和儲存于CD-ROM中的電子地圖與車輪旋轉(zhuǎn)傳感器和速率陀螺或磁羅盤結(jié)合起來。但目前此類系統(tǒng)的價格很高，約為1800美元，只能作為待選的配件。在這方面的應(yīng)用中MEMS傳感器將發(fā)揮越來越重要的作用，它們的應(yīng)用將使這類系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來降到900美元以下。
汽車空調(diào)壓縮機(jī)中的壓力測量為MEMS技術(shù)提供了很好的機(jī)會。目前所使用的是其他技術(shù)（如T I的陶瓷電容壓力傳感器）。但很多MEMS技術(shù)公司正積極開發(fā)相應(yīng)的微型傳感器，以爭奪這一很大的市場。
發(fā)動機(jī)的電子控制一直被認(rèn)為是MEMS技術(shù)在汽車中的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。Delco, Motorola和Bosch公司生產(chǎn)了數(shù)以百萬計(jì)的多路壓力傳感器。這些器件測量出的多路進(jìn)氣壓力可以用來計(jì)算空氣/燃料比。人們正在嘗試用空氣質(zhì)量流量（mass airflow）傳感器代替這類器件。目前市場上出售的產(chǎn)品采用了分立的熱線式風(fēng)速測量方法，它們的體積大、價格高。Bosch公司1995年引入了一種基于薄膜技術(shù)的新型質(zhì)量流量傳感器。現(xiàn)在許多組織正在對已經(jīng)微型化的這種傳感器進(jìn)行評估。除了多路壓力和質(zhì)量流量參數(shù)外，發(fā)動機(jī)控制器還需要獲取大氣壓力參數(shù)，以便根據(jù)推算出的海拔高度信息確定合理的空氣/燃油比。MEMS技術(shù)將在這些應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。
氣缸壓力測量對于優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能來說十分關(guān)鍵。由于氣缸內(nèi)的溫度很高，壓電和光纖技術(shù)較為實(shí)用，不過它們昂貴的價格限制了其應(yīng)用。目前Ford和Chrysler公司的汽車中采用了廢氣循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，陶瓷電容式壓力傳感器正為微型硅壓阻式傳感器所取代。無級可調(diào)傳動系統(tǒng)需要測量液壓油的壓力。在這一方面，通過各種方法與工作介質(zhì)隔離開來的微型壓力傳感器將有廣闊的應(yīng)用前景。Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions （最近為TI收購）和 SSI Technologies公司正開發(fā)用于這類應(yīng)用的微型傳感器。它們都集成有通過EEPROM編程的硅基CMOS ASIC混合電路。
在這一方面，MEMS技術(shù)的一個主要應(yīng)用將是輪胎壓力監(jiān)測。無論從安全行車還是從節(jié)省燃油的角度來看，有必要保持適當(dāng)?shù)妮喬コ錃鉅顟B(tài)。目前已有不少實(shí)時胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。基于MEMS技術(shù)的微型壓力傳感器是理想的敏感器件。隨著run-flat輪胎的引入，這些測量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛安裝于各種新車型中。Run-flat輪胎的使用使人們不再需要備用胎和千斤頂。美國克林頓政府已制定了一項(xiàng)法令，要求到2004年美國境內(nèi)使用的載客汽車必須安裝這類裝置。這為微型壓力傳感器提供了一個巨大的市場，Lucas NovaSensor, Motorola和 Sensonor等廠商正積極爭奪這一市場。
發(fā)動機(jī)油的監(jiān)測也為MEMS技術(shù)提供了一個重要的應(yīng)用機(jī)會。這些系統(tǒng)應(yīng)用的最大障礙是其價格。這類微型壓力傳感器必須能夠在溫度很高的發(fā)動機(jī)油中正常工作，其硅制敏感芯片部分必須與工作介質(zhì)隔離開。帶有全部信號調(diào)理電路并封裝好的傳感器的價格應(yīng)在5～7美元之間。壓力傳感器還可以應(yīng)用于監(jiān)控易揮發(fā)燃油油箱中的蒸氣壓，以確保無燃油蒸氣泄漏。
在不久的將來，汽車方面的應(yīng)用將繼續(xù)構(gòu)成MEMS技術(shù)的一個重要市場。如今傳統(tǒng)的多路絕對壓力傳感器和氣囊加速度計(jì)幾乎已經(jīng)完全被微型化的傳感器所替代。在輪速測量、冷卻系統(tǒng)壓力、發(fā)動機(jī)油壓力和剎車壓力測量方面，人們正在考慮或已經(jīng)開始用基于MEMS技術(shù)的傳感器來取代已有的產(chǎn)品。此外，人們還在考慮在許多新開發(fā)的系統(tǒng)中采用微型傳感器。價格、可靠性和體積等方面的優(yōu)勢將使微型傳感器成為汽車中各種參數(shù)測量的首選產(chǎn)品。目前這些優(yōu)勢已為實(shí)踐所證實(shí)。汽車用微型傳感器已受到科研機(jī)構(gòu)及廠商的高度重視，可以預(yù)言，未來5～7年其研制、生產(chǎn)與應(yīng)用將獲得高速增長。
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