智能傳感器在現代汽車(chē)電子中的應用

現代汽車(chē)電子從所應用的電子元器件到車(chē)內電子系統的架構均已進(jìn)入了一個(gè)有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器。

一、汽車(chē)電子操控和安全系統談起

近幾年來(lái)我國汽車(chē)工業(yè)增長(cháng)迅速，發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現了一些專(zhuān)家的預測：汽車(chē)工業(yè)有可能超過(guò)IT產(chǎn)業(yè)，成為中國國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實(shí)，汽車(chē)工業(yè)的增長(cháng)必將包含與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的IT產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)。例如，雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價(jià)值含量只占10%—15%左右，但國外汽車(chē)中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價(jià)值含量平均約為22%，中、高檔轎車(chē)中汽車(chē)電子已占30%以上，而且這個(gè)比例還在、不斷地快速增長(cháng)，預期很快將達到50%。

電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車(chē)發(fā)展方向的主導因素，汽車(chē)（機動(dòng)車(chē)）的動(dòng)力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個(gè)方面的改進(jìn)和提高，都將依賴(lài)于機械系統及結構和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結合。汽車(chē)工程界專(zhuān)家指出：電子技術(shù)的發(fā)展已使汽車(chē)產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產(chǎn)業(yè)界對汽車(chē)電子空前關(guān)注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車(chē)內音響、視頻裝備，車(chē)用通信、導航系統，以及車(chē)載辦公系統、網(wǎng)絡(luò )系統等車(chē)內電子設備的本質(zhì)改變較少外，現代汽車(chē)電子從所應用的電子元器件（包括傳感器、執行器、微電路等）到車(chē)內電子系統的架構均已進(jìn)入了一個(gè)有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器（智能執行器、智能變送器）。

實(shí)際上，汽車(chē)電子已經(jīng)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段：從分立電子元器件搭建的電路監測控制，經(jīng)過(guò)了電子元器件或組件加微處理器構筑的各自獨立的、專(zhuān)用的、半自動(dòng)和自動(dòng)的操控系統，現在已經(jīng)進(jìn)入了采用高速總線(xiàn)（目前至少有5種以上總線(xiàn)已開(kāi)發(fā)使用），統一交換汽車(chē)運行中的各種電子裝備和系統的數據，實(shí)現綜合、智能調控的新階段。新的汽車(chē)電子系統由各個(gè)電子控制單元（ECU）組成，可以獨立操控，同時(shí)又能協(xié)調到整體運行的最佳狀態(tài)。

例如為使發(fā)動(dòng)機處于最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進(jìn)氣壓力的測定開(kāi)始，再根據水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數計算出基本噴油量，同時(shí)還要通過(guò)節氣門(mén)位置傳感器檢測節氣門(mén)的開(kāi)度，確定發(fā)動(dòng)機的工況，進(jìn)而控制，調整最佳噴油量，最后還需要通過(guò)曲軸的角速度傳感器監測曲軸轉角和發(fā)動(dòng)機轉速，最終計算出并發(fā)出最佳點(diǎn)火時(shí)機的指令。這個(gè)發(fā)動(dòng)機燃油噴射系統和點(diǎn)火綜合控制系統還可以與廢氣排放的監控系統和起動(dòng)系統等組合，構筑成可使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機功率和扭矩最大化，而同時(shí)燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統。

還可以舉一個(gè)安全駕駛方面的例子，出于平穩、安全駕駛的需要，僅只針對四個(gè)輪子的操控上，除了應用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車(chē)防抱死裝置（ABS）外，許多轎車(chē)，包括國產(chǎn)車(chē)，已增設了電子動(dòng)力分配系統（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時(shí)的穩定性。

現在，國內外的一些汽車(chē)進(jìn)一步加裝了緊急剎車(chē)輔助系統（EBA），該系統在發(fā)生緊急情況時(shí)，自動(dòng)檢測駕駛者踩制動(dòng)踏板時(shí)的速度和力度，并判斷緊急制動(dòng)的力度是否足夠，如果需要，就會(huì )自動(dòng)增大制動(dòng)力。EBA的自控動(dòng)作必須在極短時(shí)間（例如百萬(wàn)分之一秒級）內完成。這個(gè)系統能使200km/h高速行駛車(chē)輛的制動(dòng)滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車(chē)輪的還有分別監測各個(gè)車(chē)輪相對于車(chē)速的轉速，進(jìn)而為每個(gè)車(chē)輪平衡分配動(dòng)力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”（ETC）系統等。

從以上列舉的兩個(gè)例子可以清楚看到，汽車(chē)發(fā)展對汽車(chē)電子的一些基本要求：

1．電子操控系統的動(dòng)作必須快速、正確、可靠。傳感器（+調理電路）+微處理器，然后再通過(guò)微處理器（+功率放大電路）+執行器的技術(shù)途徑已經(jīng)不再能滿(mǎn)足現代汽車(chē)的要求，需要通過(guò)硬件集成、直接交換數據和簡(jiǎn)化電路，并提高智能化程度來(lái)確?？刂茊卧獎?dòng)作的正確性、可靠性和適時(shí)性。

2．現在幾乎所有的汽車(chē)的機械結構部件都已受電子裝置控制，但汽車(chē)車(chē)體內的空間有限，構件系統的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制部件緊密結合，形成一個(gè)整體。因此器件和電路的微型化、集成化是不可回避的道路。

3．電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安全氣囊為例，它在關(guān)鍵時(shí)刻必須要能及時(shí)、正確地瞬時(shí)打開(kāi)，但在極大多數時(shí)間內氣囊是處在待命狀態(tài)，因此安全氣囊的ECU必須具有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統的可正常運作的可靠性，確保動(dòng)作的“萬(wàn)無(wú)一失”。

4．汽車(chē)的各種功能部件都有各自的運動(dòng)、操控特性，并且，對電子產(chǎn)品而言，大多處于非常惡劣的運行環(huán)境中，而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時(shí)的高溫，靜止待命時(shí)的低溫，高濃度的油蒸汽和活性（毒性）氣體，以及高速運動(dòng)和高強度的沖擊和振動(dòng)等。因此，電子元器件和電路必須要有高穩定、抗環(huán)境和自適應、自補償調整的能力。

5．與上述要求同樣重要，甚至有時(shí)是關(guān)鍵性的條件是，汽車(chē)電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規模工業(yè)生產(chǎn)，并能將成本降低到可接受的程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。例如智能加速度傳感器，它不僅能較好地滿(mǎn)足現代汽車(chē)的各項需要，而且因為可以在集成電路標準硅工藝線(xiàn)上批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車(chē)工業(yè)中找到了自己最大的應用市場(chǎng)，反過(guò)來(lái)也有力地促進(jìn)了汽車(chē)工業(yè)的電子信息化。



二、智能傳感器：微傳感器與集成電路融合的新一代電子器件

微傳感器、智能傳感器是近幾年才開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。在我國的報刊雜志上目前所使用的技術(shù)名稱(chēng)還比較含混，仍然籠統地稱(chēng)之為傳感器，或者含糊地歸納為汽車(chē)半導體器件，也有將智能傳感器（或智能執行器、智能變送器）與微系統、MEMS等都歸入了MEMS（微機電系統）名稱(chēng)下的。這里介紹當前一些歐美專(zhuān)著(zhù)中常用的技術(shù)名詞的定義和技術(shù)內涵。

首先必須說(shuō)明的是，在絕大多數情況下，本文大小標題及全文中所說(shuō)的傳感器其實(shí)是泛指了三大類(lèi)器件：將非電學(xué)輸入參量轉換成電磁學(xué)信號輸出的傳感器；將電學(xué)信號轉換成非電學(xué)參量輸出的執行器；以及既能用作傳感器又能用作執行器，其中較多的是將一種電磁學(xué)參量形式轉變成另一種電磁學(xué)參量形態(tài)輸出的變送器。就是說(shuō)，關(guān)于微傳感器、智能傳感器的技術(shù)特性可以擴大類(lèi)推到微執行器、微變送器-傳感器（或執行器、或變送器）的物理尺度中至少有一個(gè)物理尺寸等于或小于亞毫米量級的。

微傳感器不是傳統傳感器簡(jiǎn)單的物理縮小的產(chǎn)物，而是基于半導體工藝技術(shù)的新一代器件：應用新的工作機制和物化效應，采用與標準半導體工藝兼容的材料，用微細加工技術(shù)制備的。因此有時(shí)也稱(chēng)為硅傳感器?？梢杂妙?lèi)似的定義和技術(shù)特征類(lèi)推描述微執行器和微變送器。