微型傳感器在汽車電子化、智能化工程中的應(yīng)用

1．微加速度傳感器

目前，安全氣囊是而且將來也是MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用。所用的硅加速度計(jì)的量程一般為50gn。較早的如像摩托羅拉公司用體微細(xì)加工技術(shù)制作的硅加速度傳感器。

瑞典Henrik等人報(bào)道了一種新型的硅微三軸加速度計(jì)，其外形結(jié)構(gòu)參數(shù)為6mm×4mm×l.4mm，它有4個(gè)敏感質(zhì)量塊，4個(gè)獨(dú)立的信號(hào)讀出電極和4個(gè)參考電極。它巧妙地利用了敏感梁在其厚度方向具有非常小的剛度而能夠敏感加速度，在其他方向剛度相對(duì)很大而不能敏感加速度的結(jié)構(gòu)特征。在加速度計(jì)的橫截面上，由于各向異性腐蝕的結(jié)果，敏感梁的厚度方向與加速度計(jì)的法線方向（z軸）成35.26°（tan35.26°＝0.707）。

2．表面微機(jī)械陀螺

傳統(tǒng)的陀螺儀是由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、內(nèi)環(huán)、外環(huán)和基座組成，這種陀螺儀的內(nèi)外環(huán)通常是用滾珠軸承支撐，這些通常是用機(jī)械加工方法制成，需要加工精度高、難度大、而且，做成的陀螺儀體積大、質(zhì)量重。微機(jī)械陀螺是具有復(fù)雜的檢測(cè)與控制電路的MEMS裝置。SaidEmreA1per等人報(bào)道了一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱，并具有解耦特性的表面微機(jī)械陀螺。該敏感結(jié)構(gòu)在其最外邊的4個(gè)角都設(shè)置了支承“錨”，與傳統(tǒng)的直接支承在“錨”上的實(shí)現(xiàn)方式不同，它利用一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)敏感質(zhì)量塊支承在連接梁上，并通過梁將驅(qū)動(dòng)電極和敏感電極有機(jī)地連接在一起。用微器件仿真軟件包（MEMCAD）仿真分析后可知，兩個(gè)方向上的振動(dòng)相互不影響，所以，這樣的連接方式不用考慮機(jī)械耦合。

該微機(jī)械陀螺的平面外輪廓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2，厚度僅為2μm。其工作原理是：當(dāng)在敏感質(zhì)量塊上施加一直流偏置電壓，在活動(dòng)叉指和固定叉指間施加適當(dāng)?shù)慕涣骷?lì)電壓時(shí)，敏感質(zhì)量塊將在y軸方向上產(chǎn)生固有振動(dòng)。當(dāng)陀螺感受到繞z軸的角速度時(shí)，由于科氏效應(yīng)，敏感質(zhì)量塊將產(chǎn)生沿x軸的附加振動(dòng)。通過測(cè)量附加振動(dòng)的振動(dòng)幅值就可以得到被測(cè)的角速度。在常規(guī)的大氣情況下，該敏感結(jié)構(gòu)具有優(yōu)于0.37°/s的分辨力。

（三）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(gè)主要應(yīng)用將是輪胎壓力監(jiān)測(cè)；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(dòng)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(fēng)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。

（四）高溫微電子在汽車中的應(yīng)用

高溫微電子在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動(dòng)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(dòng)機(jī)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(cè)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(cè)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(chǎng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率及抗輻照能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)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。

四、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(chǎng)需求，世界各國對(duì)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(shì)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(shì)，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，體積更小、造價(jià)更低、功能更強(qiáng)的微型傳感器將廣泛應(yīng)用在汽車的各個(gè)方面。在未來幾年內(nèi)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、剎車防抱死系統(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)在內(nèi)的應(yīng)用將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場(chǎng)。