新型車用傳感器及發(fā)展趨勢解析

一、前言

汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的重要信息源，對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動等各種信息進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量和控制。衡量現(xiàn)代高級轎車控制系統(tǒng)水平的關(guān)鍵就在于其傳感器的數(shù)量和水平。當(dāng)前，一輛國內(nèi)普通家用轎車上大約安裝了近百個傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量多達(dá)200只。未來汽車傳感器技術(shù)總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。

微型傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)，將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上，由于具有體積小、價格便宜、便于集成等特點(diǎn)，可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。當(dāng)前，該技術(shù)逐步成熟，可以制作檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量等各種微型傳感器。多功能化是指一個傳感器能檢測兩個或兩個以上的特征參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，從而減少汽車傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。智能化是將傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，具有智能作用。

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。下面介紹一些這方面的新產(chǎn)品。

二、離子檢測系統(tǒng)

三菱（Mitsubishi電子公司）正在開發(fā)一種車用離子檢測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠通過檢測離子來監(jiān)控發(fā)動機(jī)每個氣缸的燃燒情況。當(dāng)可燃混合氣持續(xù)燃燒時，在燃燒峰面附近就會發(fā)生電離現(xiàn)象。把一個帶偏壓的測頭放入氣缸，就可以測出與電離狀況相關(guān)的離子流。

這個能反映發(fā)動機(jī)各種燃燒狀況的信息控制系統(tǒng)由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點(diǎn)火線圈及一套處理離子流信號的電子模塊構(gòu)成，它可以判別每個缸的點(diǎn)火、燃燒及爆震情況。進(jìn)一步的功能將是對發(fā)動機(jī)的混合氣狀況加以監(jiān)控，即根據(jù)離子流所顯示的燃燒情況來控制每個缸的空燃比。

三、快速起動的氧傳感器

冷車運(yùn)轉(zhuǎn)時的發(fā)動機(jī)所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。NGK火花塞有限公司研制出一種新型氧傳感器，它能在15s內(nèi)達(dá)到閉環(huán)控制。通過縮小加熱區(qū)和降低阻抗，改進(jìn)了傳感器的加熱裝置。由于采用新材料和新的溫控系統(tǒng)，使加熱器的壽命與現(xiàn)有類型相近，改善了低溫特性。

四、側(cè)滑傳感器

博世公司開發(fā)一種雙向傳感器，它是由采用壓電晶體的線性加速度計組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設(shè)置、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個經(jīng)過顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應(yīng)著所測加速度方向的基準(zhǔn)面，對應(yīng)于某個基準(zhǔn)面的獨(dú)立信號就能測出相應(yīng)的作用力。而很高的品質(zhì)因數(shù)Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進(jìn)行。

五、壓電諧振式角速度傳感器

三菱電子公司開發(fā)的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結(jié)構(gòu)，其諧振部分是一個用浸蝕法制成的硅梁。通過外置振蕩器激發(fā)，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。

角速度的變化可根據(jù)硅梁振動頻率變化引起的梁兩側(cè)玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測出。傳感器電路由電容電壓（C—V）轉(zhuǎn)換器和同步解調(diào)器構(gòu)成。C—V轉(zhuǎn)換器是一個轉(zhuǎn)換電容的比較器（ASIC）。當(dāng)測量范圍在±200°/s時，非線性為±1%。

六、高壓傳感器

Denso公司開發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來檢測機(jī)油、液壓系統(tǒng)、汽油以及空調(diào)制冷劑的壓力，如制動器的液壓控制系統(tǒng)、怠速下的空調(diào)機(jī)壓縮器和動力轉(zhuǎn)向泵、燃油控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)以及自動變速器中的液壓換擋系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的壓力變化在2～20MPa，而傳感器可耐壓38MPa。

這種傳感器使用一種樹脂膠而不是通常使用的金屬和玻璃來封裝，以形成足夠大的油分子通道，實現(xiàn)了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設(shè)計。包括壓力感應(yīng)元件和放大電路在內(nèi)的所有元件都集中在一塊芯片上。

七、直熱式檢測傳感器

GM研發(fā)中心正在試驗使用一種直熱式檢測系統(tǒng)來抑制后排末成年人座椅（RFIS）處的側(cè)量氣囊展開。將乘員席表面的溫度與駕駛員座椅表現(xiàn)溫度加以對比，若兩者不同且與預(yù)定值差異較大，則氣囊的展開就會受到抑制。乘員席的溫度由安置在座椅表面的熱敏電阻來測定，可采用直熱式或非直熱式熱敏電阻。

實際上這種抑制系統(tǒng)可采用多種檢測方式，當(dāng)直熱式探測器的工作不夠可靠時，可采用其他方式來提高該系統(tǒng)的可靠性。曾有人建議配置別的傳感器，如測量體重、電容、振動，使用超聲波、微波、光學(xué)及紅外線等。還有人建議為一個抑制系統(tǒng)配置多種檢測裝置，使其工作更加可靠。

八、機(jī)油粘度傳感器

何時更換機(jī)油一般是根據(jù)廠家規(guī)定的時間或里程來進(jìn)行。少數(shù)廠家采用了更先進(jìn)的方式，通過記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度來計算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動式粘度傳感器，其工作原理與振動式粘度計相近——振子（球型、片狀或棒式）在受到粘滯阻尼時其振頻會發(fā)生衰變。因此，依靠不同形狀的振子，就可以測出粘度和密度的一些參數(shù)。有一種振動式粘度計的振子是石英棒，它能被激發(fā)扭振，通過測量與液體粘度相對應(yīng)的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度（準(zhǔn)確地說應(yīng)是粘度和密度的綜合值）?？梢?，振動式粘度計是通過測量液體所傳遞的切變波形來確定粘度的一種裝置。然而，由于傳感元件與液體的接觸處切變波形會產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致測試值與液體的對應(yīng)關(guān)系較差。

粘度傳感器設(shè)置了一種界面來改善傳感元件與液體之間的接觸關(guān)系，其原理與我們熟知的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和海洋船舶上的超聲波換能器相似。

傳感器的核心是一個壓電轉(zhuǎn)換器，在它兩側(cè)施加電壓時，就會產(chǎn)生切向運(yùn)動。電極是用金屬蒸發(fā)沉積法布置在壓電晶體表面，然后整體涂上一層絕緣層。

一臺掃頻儀通過振蕩器所產(chǎn)生的交變電壓來確定傳感元件的諧振頻率。因為在諧振時，傳感元件的電阻達(dá)到最大值，隨著液體粘度的變化，這個蜂值也相應(yīng)變化，并通過峰值檢測電路轉(zhuǎn)化為電壓信號。

絕緣層的厚度根據(jù)所測粘度的范圍來確定，因為從液體界面處反射回來的切變波必須被絕緣層全部吸收，所以絕緣層的厚度大約是四分之一個波長。

九、磁敏式速度傳感器

SST技術(shù)有限公司開發(fā)了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻（GMR）材料與半導(dǎo)體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點(diǎn)是隨磁場的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導(dǎo)體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號處理器和電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)成。先將高磁阻材料噴鍍在BICMOS板基上，采用光刻腐蝕工藝將其制成電阻，通過鋁箔把其連入BICMOS電路，再周邊鍍上一層合金以聚集磁力線。

這種傳感器是雙極型結(jié)構(gòu)，通過電平轉(zhuǎn)換輸出一個方波形脈沖信號，其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉(zhuǎn)頻率是相同的，而勵磁機(jī)構(gòu)是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號處理電路是直流耦合式，所以可處理零速狀態(tài)。而其具有高靈敏度使之在較大氣隙下也能工作。

采用上述技術(shù)的ABS傳感器具有零速處理、輸出信號在兩電平之間變化的雙極型結(jié)構(gòu)，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉(zhuǎn)頻率相同的特點(diǎn)。在允許溫度和工作頻率范圍內(nèi)，其頻寬比為（50±10）%，輪齒模數(shù)2.5時，氣隙特性可達(dá)3mm。

十、汽車用傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一個傳感器能檢測2個或者2個以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)。集成化是指利用IC制造技術(shù)和精細(xì)加工技術(shù)制作IC式傳感器。智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有MPU，具有智能作用。新近研發(fā)的汽車用傳感器具有如下特點(diǎn)：數(shù)字化信號輸出、線性化微處理器補(bǔ)償、傳感器信號共用和加工、傳感器間接測量、復(fù)合傳感器信號處理、IC化和精細(xì)加工等。

纖傳感器現(xiàn)已開發(fā)出溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、液位、流量、振動、陀螺等上百種類型。由于光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、可彎曲、絕緣性好、無電磁干擾、寬頻帶、低損耗等特點(diǎn)，今后將會廣泛應(yīng)用到汽車上。

為提高汽車安全性和舒適性，生物體測量等方面的傳感器也在研究中。例如，駕駛員視野盲區(qū)障礙物測量、保持2車前后車距、碰撞自動保護(hù)等裝置中用傳感器。

傳感器信號輸出與控制系統(tǒng)的計算機(jī)接口也是一個重要的研究課題。內(nèi)含有A／D、D／A、I／O驅(qū)動、緩沖RAM、程序ROM、MPU，并具有線性、溫度補(bǔ)償以及相應(yīng)控制程序的靈巧型汽車用傳感器引人注目，將使得汽車各系統(tǒng)的元器件數(shù)量大大減少，從而降低系統(tǒng)成本，減小體積和減輕質(zhì)量，并使整個系統(tǒng)更加簡單可靠。

總之，汽車用傳感器技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是傳感器自身的開發(fā)，而且更注重于對傳感器的互換性、耐久性、可靠性的開發(fā)。 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理