微型傳感器在汽車工程中的應(yīng)用

　　一、引言

　　現(xiàn)代汽車正由一個(gè)單純交通工具朝著能滿足人類需求和安全、舒適、方便及無污染的方向發(fā)展。要實(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(shì)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嚨膽?yīng)用受到很大的限制。

　　近幾年來，從半導(dǎo)體集成電路(IC)技術(shù)發(fā)展而來的微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechnical system， MEMS )技術(shù)日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實(shí)用性的微型機(jī)電器件，主要包括利用微型膜片的機(jī)械形變產(chǎn)生電信號(hào)輸出的微型壓力傳感器和微型加速度傳感器;此外，還有微型溫度傳感器、磁場傳感器、氣體傳感器等，這些微型傳感器的面積大多在1 mm2以下。隨著微電子加工技術(shù)，特別是納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳感器技術(shù)還將從微型傳感器進(jìn)化到納米傳感器。這些微型傳感器體積小，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。

　　二、汽車用傳感器分類

　　汽車用傳感器是用于汽車顯示和電控系統(tǒng)的各種傳感器的統(tǒng)稱。它涉及到很多的物理量傳感器和化學(xué)量傳感器。這些傳感器要么是使司機(jī)了解汽車各部分狀態(tài)的;要么是用于控制汽車各部分狀態(tài)的。按在汽車上的作用可分為控制發(fā)動(dòng)機(jī)、控制底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器，構(gòu)成這些傳感器的材料有精細(xì)陶瓷、半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)纖維及高分子薄膜等;按輸出特性來分有模擬型傳感器和數(shù)字型傳感器;按構(gòu)成原理來分，有結(jié)構(gòu)型、韌性型和復(fù)合型。為方便起見，現(xiàn)按汽車傳感器的控制對(duì)象來分類。

　　三、微型傳感器在汽車中的應(yīng)用

　　汽車上用的傳感器的種類很多，應(yīng)用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、安全系統(tǒng)、車輛監(jiān)控和自診斷等方面的應(yīng)用。

　　(一)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器

　　發(fā)動(dòng)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。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器是整個(gè)汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息，供電子控制單元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、降低油耗、減少廢氣排放和進(jìn)行故障檢測。

　　1.溫度傳感器

　　汽車用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特點(diǎn)，其應(yīng)用場合也略有區(qū)別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特性較好，但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為-50℃～30℃，精度為1.5%，響應(yīng)時(shí)間為10 ms;高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應(yīng)時(shí)間為10ms;線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實(shí)用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器(測溫范圍為-40℃～120℃，精度為2.0%)、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器(測溫范圍為-40℃～150℃，精度為2.0%，5%，響應(yīng)時(shí)間約20 ms)等。

　　2.壓力傳感器

　　壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器，主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動(dòng)系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。目前，致力于汽車用壓力傳感器開發(fā)和生產(chǎn)的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器，Lucas Novasensor， Hi Stat，NipponDenzo，西門子，德州儀器等。

　　比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓，測量范圍為20kPa～100kPa，其特點(diǎn)是輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好;壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大，需要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適應(yīng)于大批量生產(chǎn);差動(dòng)變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差;聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特點(diǎn)，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作。

　　德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感模塊，它不需要在傳感器模塊中增加加速度傳感器，可以在汽車啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開機(jī)進(jìn)人自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機(jī)械加工技術(shù)集成在0.8μm的雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體( BiCMOS) 上。每個(gè)傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著惟一的32位芯片識(shí)別碼。芯片識(shí)別碼可以由同步串行接口讀出，而且 ，可以用于辨識(shí)各個(gè)輪胎壓力傳感器的位置。在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先，要檢查芯片識(shí)別碼，如果發(fā)現(xiàn)芯片識(shí)別碼不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。

　　3.流量傳感器

　　流量傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量和燃料流量的測量。進(jìn)氣量是燃油噴射量計(jì)算的基本參數(shù)之一?？諝饬髁總鞲衅鞯墓δ埽焊兄諝饬髁康拇笮?，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動(dòng)、點(diǎn)火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)：工作范圍為0.11m3/min～103m3/min，工作溫度為-40℃～120℃，精度>1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有水輪式和循環(huán)球式，其動(dòng)態(tài)范圍為0～60kg/h，工作溫度為-40℃～120℃，精度為±1%，響應(yīng)時(shí)間<10ms。

　　Honeywell的下屬微開關(guān)(micro switch)公司用熱微細(xì)加工技術(shù)制作出了微橋式空氣流量傳感器芯片，它用微細(xì)加工技術(shù)在硅圓片上加工出空腔，鉑電阻懸掛在空腔之上。當(dāng)空氣流過器件時(shí)，發(fā)生了從空氣流動(dòng)方向下方到上方的熱傳輸，因而，下方電阻被冷卻，上方電阻被加熱，由電橋電阻變化可測量出空氣流量。

　　4.位置和轉(zhuǎn)速傳感器

　　曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等，為點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻提供參考點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)，提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。目前，汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測量范圍為0°～360°，精度優(yōu)于±0.5°，測彎曲角達(dá)±0.1°。

　　車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動(dòng)力傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，還有敏感差速從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng)車速高于100km/h時(shí)，一般測量方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍為0.5km/h～250km/h，重復(fù)精度為0.1%，距離測量誤差優(yōu)于為0.3%。

　　5.氣體濃度傳感器

　　氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排 放。其中，最主要的是氧傳感器，它檢測汽車尾氣中的氧含 量，根據(jù)排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機(jī)控制裝置發(fā)出 反饋信號(hào)，以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺 傳感器(使用溫度為-40℃～900℃，精度為1%)、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器(使用溫度為300℃～800℃)、固體電解 質(zhì)式氧化鉻氣體傳感器(使用溫度為0～400℃，精度為0.5%)，另外，還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯(cuò)氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強(qiáng)的特點(diǎn)。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩(wěn)定氧化錯(cuò)離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數(shù)電極、不透水層、電極接觸和保護(hù)層構(gòu)成。其中，氧化鈣穩(wěn)定氧化錯(cuò)由反應(yīng)濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝制作。在理想的A/F點(diǎn)附近的輸出電壓發(fā)生驟變，當(dāng)空燃比變高，廢氣中的氧濃度增加時(shí)，氧傳感器的輸出電壓減小;當(dāng)空燃比變低，廢氣中的氧濃度降低時(shí)，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識(shí)別這一突變信號(hào)，對(duì)噴油量進(jìn)行修正，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)空燃比，使其在理想空燃比附近變動(dòng)。

　　6.爆震傳感器

　　爆震傳感器用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角控制和避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震。為了最大限度地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)功率而不產(chǎn)生爆燃，點(diǎn)火提前角應(yīng)控制在爆燃產(chǎn)生的臨界值，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆燃時(shí)，傳感器將爆燃引起的震動(dòng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并傳給電子控制單元。檢測爆震有檢測氣缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)和燃燒噪聲等三種方法。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃～125℃，頻率范圍為5kHz～10kHz;壓電式爆震傳感器在中心頻率5. 417kHz處，其靈敏度可達(dá)200 mV/gn，在振幅為0.1-10 gn范圍內(nèi)具有良好線性度。

　　7.節(jié)氣門位置傳感器

　　節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門上，其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的開度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并傳遞給電子控制單元，用以感知發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大小和加減速工況。最常用的是可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器。該傳感器是一種典型的節(jié)氣門傳感器，主要由一個(gè)線形變位器和一個(gè)怠速觸點(diǎn)兩部分組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成，滑動(dòng)觸點(diǎn)用復(fù)位彈簧控制，與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，線形變位器的觸點(diǎn)在電阻體上滑動(dòng)，根據(jù)變化的電阻值，可以測得與節(jié)氣門開度成正比的線性輸出電壓信號(hào)。根據(jù)輸出電壓值，電子控制單元可獲知節(jié)氣門的開度和開度變化率，從而精確 判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，提高控制精度和效果。怠速信號(hào)滑動(dòng)觸點(diǎn)是常開觸點(diǎn)，只有在節(jié)氣門全閉時(shí)才閉合，產(chǎn)生怠速觸點(diǎn)信號(hào)，主要用 于怠速控制、斷油控制及點(diǎn)火提前角的修正。

　　(二)安全系統(tǒng)方面用傳感器

　　安全是汽車考慮的首要因素，用于安全方面的傳感器也很多，如有用于汽車安全氣囊的微型加速度計(jì)，測角速率的表面微機(jī)械陀螺等。

　　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.4 mm，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°(tan 35.26°= 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)雜的檢測與控制電路的MEMS裝置。Said Emre A1 per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)。通過測量附加振動(dòng)的振動(dòng)幅值就可以得到被測的角速度。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;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、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。