微型傳感器在汽車(chē)工程方面的成功應用

引言

　　現代汽車(chē)正由一個(gè)單純交通工具朝著(zhù)能滿(mǎn)足人類(lèi)需求和安全、舒適、方便及無(wú)污染的方向發(fā)展。要實(shí)現這些目標的關(guān)鍵在于汽車(chē)的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時(shí)獲取，這勢必要求在汽車(chē)中大量采用各種傳感器。傳統的傳感器往往體積和重量大、成本高，它們在汽車(chē)的應用受到很大的限制。

　　近幾年來(lái)，從半導體集成電路（IC）技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微機電系統（microelectronmechnicalsystem,MESM）技術(shù)日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實(shí)用性的微型機電器件，主要包括利用微型膜片的機械形變產(chǎn)生電信信號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(chǎng)陳干起、氣體傳感器等，這些微型傳感器的面積大多在1mm2以下。隨著(zhù)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，易構成大規模和多功能陣列，這些特點(diǎn)使它們非常適合于汽車(chē)方面的應用。

　　1、汽車(chē)用傳感器分類(lèi)

　　汽車(chē)用傳感器是用于汽車(chē)顯示和電控系統的各種傳感器的統稱(chēng)。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了解汽車(chē)各部分狀態(tài)的；要么是用于控制汽車(chē)各部分狀態(tài)的。按在汽車(chē)上的作用可分為控制發(fā)動(dòng)機、控制底盤(pán)以及給駕駛員提供各種信息用傳感器，構成這些傳感器的材料有精細陶瓷、半導體材料、光導纖維及高分子薄膜等；按輸出特性來(lái)分有模擬型傳感器和數字型傳感器；按構成原理來(lái)分，有結構型、韌性型和復合型。為方便起見(jiàn)，現按汽車(chē)傳感器的控制對象來(lái)分類(lèi)，如表1所示。

　　2、微型傳感器在汽車(chē)中的應用

　　汽車(chē)上用的傳感器的種類(lèi)很多，應用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制、安全系統、車(chē)輛監控和自診斷等方面的應用。

　　2.1汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制用傳感器

　　發(fā)動(dòng)機的電子控制一直被認為是MEMS技術(shù)在汽車(chē)中的主要應用領(lǐng)域之一。發(fā)動(dòng)機控制系統用傳感器是整個(gè)汽車(chē)傳感器的核心，種類(lèi)很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、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)機的電子控制單元提供發(fā)動(dòng)機的工作狀況信息，供電子控制單元對發(fā)動(dòng)機工作狀況進(jìn)行精確控制，以提高發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、降低油耗、減少廢氣排放和進(jìn)行故障檢測。

　?。?）溫度頂替傳感器

　　汽車(chē)用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機溫度、吸入氣體溫度、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(xiàn)繞電阻式和熱偶電阻式3種主要類(lèi)型。這3種類(lèi)型傳感器各有特點(diǎn)，其應用場(chǎng)合也略有區引。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應特性較好，但線(xiàn)性差、適應溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為—50～30℃，精度為1.5%，響應時(shí)間為10ms；高溫型為600～1000cC，精度為5%，響應時(shí)間為10ms；線(xiàn)繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應特性差；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%）、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器（測溫范圍為-40～150℃，精度為2.0%，5%，響應時(shí)間約20ms）等。

（2）壓力傳感器

　　壓力傳感器是汽車(chē)中用得最多的傳感器，主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動(dòng)系統流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動(dòng)機機油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過(guò)濾系統的流體壓力等。目前。致力于汽車(chē)用壓力傳感器開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器，LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，西門(mén)子，德州儀器等。

　　比較常用的汽車(chē)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壓、液壓、氣壓，測量范圍為20～100kPa，其特點(diǎn)是輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應特性好、環(huán)境適應性好；壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大，需要另設溫度補償電路，但適應于大批量生產(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、數字輸出等特點(diǎn)，用于汽車(chē)吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩定地工作。

　　德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KPS00內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(chē)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)機進(jìn)入自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機械加工技術(shù)集成在0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）上。每個(gè)傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲器中存儲著(zhù)唯一的32位芯片識別碼。芯片識別碼可以由同步串行接口讀出，而且，可以用于辨識各個(gè)輪胎壓力傳感器的位置。在接收數據的時(shí)候，首先，要檢查芯片識別碼，如果發(fā)現芯片識別碼不符，就放棄收到的數據幀。

　?。?）流量傳感器

　　流量傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機空氣流量和燃料流量的測量。進(jìn)氣量是燃油噴射量計算的基本參數之一?？諝饬髁總鞲衅鞯墓δ埽焊兄諝饬髁康拇笮?，并轉換成電信號傳輸給發(fā)動(dòng)機的電子控制單元?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動(dòng)機控制系統確定燃燒條件、控制空燃比、起動(dòng)、點(diǎn)火等?？諝饬髁總鞲衅饔行D翼片式、卡門(mén)渦旋式、熱線(xiàn)式、熱膜式等4種類(lèi)型?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g(shù)指標：工作范圍為0.11～103m3/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—40～12℃，精度為±1%，響應時(shí)間10ms。

　　Honeywell的下屬微開(kāi)關(guān)（microswitch）公司用熱微細加工技術(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。當空氣流過(guò)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。

　?。?）位置和轉速傳感器

　　曲軸位置與轉速傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機曲軸轉角、發(fā)動(dòng)機轉速、節氣門(mén)的開(kāi)度、車(chē)速等，為點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻提供參考點(diǎn)信號，同時(shí)，提供發(fā)動(dòng)機轉速信號。目前，汽車(chē)使用的位置和轉速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開(kāi)關(guān)式、光學(xué)式、半導體磁性晶體管式等，其測量范圍為0°～360°，精度優(yōu)于±0.5°，測彎曲角達±0.1°。

　　車(chē)速傳感器種類(lèi)繁多，有敏感車(chē)輪旋轉的、也有敏感動(dòng)力傳動(dòng)軸轉動(dòng)的，還有敏感差速從動(dòng)軸轉動(dòng)的。當車(chē)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0.5—250km/h，重復精度為0.1%，距離測量誤差優(yōu)于為0.3%。

　?。?）氣體濃度傳感器

　　氣體濃度傳感器主要用于檢測車(chē)體內氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，它檢測汽車(chē)尾氣中的氧含量，根據排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機控制裝置發(fā)出反饋信號，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℃）、固體電解貢式氧化鉻氣體傳感器（使用溫度為0～400℃.精度為0.5%），另外，還有二氧化鈦氧傳感器以及二氧化鋯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結構簡(jiǎn)單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點(diǎn)：二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩定氧化鋯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化鈀厚膜參數電極、不透水層、電極接觸和保護層構成。其中，氧化鈣穩定氧化鋯由反應濺射法積淀。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??；當空燃比變低，廢氣中的氧濃度降低時(shí)，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號，對噴油量進(jìn)行修正，從而相應地調節空燃比，使其在理想空燃比附近變動(dòng)。