現代汽車(chē)傳感技術(shù)的發(fā)展商機
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智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統傳感器相比，他具有很多特點(diǎn)。例如，他可以確定傳感器工作狀態(tài)，對測量資料進(jìn)行修正，以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差；用軟件解決硬件難以解決的問(wèn)題；完成資料計算與處理工作等等。世界各國都在車(chē)用傳感器硬件的基礎上，努力用軟件來(lái)解決汽車(chē)電氣干擾大、環(huán)境差(溫度高、溫度梯度大、污染厲害等)等問(wèn)題造成的對汽車(chē)參數測量的影響。而且智能式傳感器精度高、量程覆蓋范圍大、輸出信號大、信噪比高、抗干擾性能好，有的還帶有自檢功能。不少汽車(chē)大公司在該方面進(jìn)行研制與開(kāi)發(fā)，并取得成功并加以應用。
我國現有汽車(chē)2000萬(wàn)輛，并且每年以5%以上的速度遞增，但是目前電噴汽車(chē)還只占10%左右，國家規定停止化油器汽車(chē)的生產(chǎn)，新出廠(chǎng)的汽車(chē)要求全部安裝“電噴”系統。上海聯(lián)合汽車(chē)電子現在年產(chǎn)120萬(wàn)套電噴系統傳感器，約4000～6000元/套，其中，汽車(chē)傳感器占60%以上的產(chǎn)值。國內電噴系統應用傳感器占系統的70%以上，ABS傳感器的成本為50元左右，國內產(chǎn)量為100萬(wàn)套，產(chǎn)值為5000萬(wàn)元；安全氣囊的傳感器占系統成本的70%以上，安全氣囊的傳感器售價(jià)為2000元左右，需求量為100萬(wàn)套/年，則傳感器的產(chǎn)值可達20億元。
在20世紀60年代，汽車(chē)上僅有機油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器，它們與儀表或指示燈連接。進(jìn)入70年代后，為了治理排放，又增加了一些傳感器來(lái)幫助控制汽車(chē)的動(dòng)力系統，因為同期出現的催化轉換器、電子點(diǎn)火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來(lái)維持一定的空燃比以控制排放。80年代，防抱死制動(dòng)裝置和氣囊提高了汽車(chē)安全性。自20世紀80年代以來(lái)，國內汽車(chē)儀表行業(yè)引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，基本滿(mǎn)足了國內小批量、低水平車(chē)型的配套需求。眾多轎車(chē)、輕型車(chē)及部分載貨車(chē)中采用新的電子產(chǎn)品，需要大批量、高水平的汽車(chē)傳感器，但國內現有最高水平的汽車(chē)傳感器產(chǎn)品比國外同類(lèi)產(chǎn)品落后10多年，每年要進(jìn)口50萬(wàn)套以上的高性能汽車(chē)傳感器。許多傳感器廠(chǎng)家為了增強產(chǎn)品的競爭力，采用與國外同行業(yè)進(jìn)行合資經(jīng)營(yíng)的方式，消化吸收國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)，使產(chǎn)品升級換代，從而逐步發(fā)展壯大，有的已成為幾大“電噴”系統廠(chǎng)家的下游供應商。但絕大多數企業(yè)還只是配套生產(chǎn)其它車(chē)用傳感器，處于利潤少、產(chǎn)品單一、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平低下的狀況。而伴隨著(zhù)國內汽車(chē)產(chǎn)量的迅速增長(cháng)，今后幾年國內汽車(chē)工業(yè)對傳感器及其配套變送器和儀表的需求亦將大大增加。實(shí)現汽車(chē)傳感器的國產(chǎn)化勢在必行。為適應這一形勢，應重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新型壓力、溫度、流量、位移等傳感器，盡快為汽車(chē)工業(yè)解決電噴系統、空調排污系統和自動(dòng)駕駛系統所需的傳感器是十分迫切的任務(wù)。汽車(chē)傳感器對整車(chē)廠(chǎng)而言，是二級配套產(chǎn)品，必須以系統形式進(jìn)入整車(chē)廠(chǎng)配套。一級系統配套商的實(shí)力關(guān)系到主機廠(chǎng)的品牌，所以必須建立系統平臺，以系統帶動(dòng)傳感器的發(fā)展。
微型傳感器利用微機械加工技術(shù)，將微米級的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊芯片上，由于具有體積小、價(jià)格便宜、便于集成等特點(diǎn)，可以明顯提高系統測試精度。當前，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。微型傳感器的大規模應用將不僅限于發(fā)動(dòng)機燃燒控制和安全氣囊，在未來(lái)幾年內，包括發(fā)動(dòng)機運行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABS、車(chē)輛動(dòng)力的控制、自適應導航、車(chē)輛行駛安全系統在內的應用，將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場(chǎng)。
在動(dòng)力系統中，有用來(lái)測定各種流體溫度和壓力(如進(jìn)氣溫度、氣道壓力、冷卻水溫和燃油噴射壓力等)的傳感器；有用來(lái)確定各部分速度和位置的傳感器(如車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環(huán)閥(EGR)的位置等)；還有用于測量發(fā)動(dòng)機負荷、爆震、斷火及廢氣中含氧量的傳感器；確定座椅位置的傳感器；在防抱死制動(dòng)系統和懸架控制裝置中測定車(chē)輪轉速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器；保護前排乘員的氣囊，不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器，還需要乘員位置、體重等傳感器來(lái)保證其及時(shí)和準確的工作。面對制造商提供的側量、頂置式氣囊以及更精巧的側置頭部氣囊，還要增加傳感器。
近年來(lái)從半導體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微電子機械系統(MEMS)技術(shù)日漸成熟，利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，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，非常適合在汽車(chē)上應用。
市場(chǎng)研究數據顯示，2002年全球汽車(chē)傳感器的市場(chǎng)規模為70.1億美元，預計到2005年將達到85.2億美元，年平均增長(cháng)率為6.7%；全球2002年汽車(chē)傳感器的市場(chǎng)需求量為10.38億只，預計到2005年將達到12.83億只，年平均增長(cháng)率為7.3%。和全球范圍傳感器產(chǎn)業(yè)相比，國內汽車(chē)傳感器尚未形成獨立的產(chǎn)業(yè)，仍然依附于汽車(chē)儀表企業(yè)。我國的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展加快，估計2010年將達600萬(wàn)輛的生產(chǎn)能力，若每輛車(chē)用10只傳感器，將需6000萬(wàn)套傳感器及其配套變送器和儀表。
汽車(chē)傳感器技術(shù)的發(fā)展方向是開(kāi)展基礎研究，發(fā)現新現象，采用新原理，開(kāi)發(fā)新材料，采用新工藝；擴大傳感器的功能與應用范圍。開(kāi)發(fā)新材料是發(fā)展汽車(chē)傳感器技術(shù)的一個(gè)重要方向。由于材料科學(xué)的進(jìn)步，在制造各種材料時(shí)，人們可以任意控制其成分，從而可以設計與制造出各種用于傳感器的功能材料，例如控制半導體氧化物的成分；可以制造出各種氣體傳感器；光導纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個(gè)重大發(fā)現；有機材料作為功能材料，正引起國內外汽車(chē)電子化專(zhuān)家的極大關(guān)注。
近年來(lái)，汽車(chē)用傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，趨勢是實(shí)現多功能化、集成化和智能化。多功能是指一個(gè)傳感器能檢測兩個(gè)或兩個(gè)以上參數；集成化是直接利用半導體特性制成單片集成電路傳感器，或是將分立的小型傳感器制作在硅片上，例如集成化溫度、壓力傳感器及霍爾電路等；智能化是指傳感器與大規模集成電路結合，成為帶有專(zhuān)用微型計算機的傳感器。敏感元件的種類(lèi)也越來(lái)越多，按敏感元件工作原理的不同，傳感器大致可分為四大類(lèi):電阻型，電磁感應型和霍爾效應型， 光敏晶體型等。隨著(zhù)研究人員用防撞傳感器(測距雷達或其他測距傳感器)來(lái)判斷和控制汽車(chē)的側向加速度、每個(gè)車(chē)輪的瞬時(shí)速度及所需的轉矩，使制動(dòng)系統成為汽車(chē)穩定性控制系統的一個(gè)組成部分?？傊鲜降挠蛪簜鞲衅骱退疁貍鞲衅魇潜舜霜毩⒌?，由于有著(zhù)明確的最大值或最小值的限定，其中一些傳感器的實(shí)際作用就相當于開(kāi)關(guān)。隨著(zhù)傳感器向電子化和數字化方向發(fā)展，它們的輸出值將得到更多的相關(guān)利用。為此，制造商們正在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)更好的傳感器。
離子檢測系統:三菱(Mitsubishi電子公司)正在開(kāi)發(fā)一種車(chē)用離子檢測系統。這個(gè)系統能夠通過(guò)檢測離子來(lái)監控發(fā)動(dòng)機每個(gè)氣缸的燃燒情況。當可燃混合氣持續燃燒時(shí)，在燃燒峰面附近就會(huì )發(fā)生電離現象。把一個(gè)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(gè)能反映發(fā)動(dòng)機各種燃燒狀況的信息控制系統由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點(diǎn)火線(xiàn)圈及一套處理離子流信號的電子模塊構成，它可以判別每個(gè)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(dòng)機的混合氣狀況加以監控，即根據離子流所顯示的燃燒情況來(lái)控制每個(gè)缸的空燃比。
快速起動(dòng)的氧傳感器:冷車(chē)運轉時(shí)的發(fā)動(dòng)機所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動(dòng)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內達到閉環(huán)控制。通過(guò)縮小加熱區和降低阻抗，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，使加熱器的壽命與現有類(lèi)型相近，改善了低溫特性。
側滑傳感器:博世公司開(kāi)發(fā)一種雙向傳感器，它是由采用壓電晶體的線(xiàn)性加速度計組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設置、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個(gè)經(jīng)過(guò)顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應著(zhù)所測加速度方向的基準面，對應于某個(gè)基準面的獨立信號就能測出相應的作用力。而很高的品質(zhì)因數Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進(jìn)行。
壓電諧振式角速度傳感器:三菱電子公司開(kāi)發(fā)的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結構，其諧振部分是一個(gè)用浸蝕法制成的硅梁。通過(guò)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(cháng)度通過(guò)浸蝕加工來(lái)決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽(yáng)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硅梁振動(dòng)頻率變化引起的梁兩側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)轉換器和同步解調器構成。C—V轉換器是一個(gè)轉換電容的比較器(ASIC)。當測量范圍在±200°/s時(shí)，非線(xiàn)性為±1%。
高壓傳感器:Denso公司開(kāi)發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來(lái)檢測機油、液壓系統、汽油以及空調制冷劑的壓力，如制動(dòng)器的液壓控制系統、怠速下的空調機壓縮器和動(dòng)力轉向泵、燃油控制系統、懸架控制系統以及自動(dòng)變速器中的液壓換擋系統。這些系統的壓力變化在2～20MPa，而傳感器可耐壓38MPa。這種傳感器使用一種樹(shù)脂膠而不是通常使用的金屬和玻璃來(lái)封裝，以形成足夠大的油分子通道，實(shí)現了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設計。包括壓力感應元件和放大電路在內的所有元件都集中在一塊芯片上。
機油粘度傳感器:何時(shí)更換機油一般是根據廠(chǎng)家規定的時(shí)間或里程來(lái)進(jìn)行。少數廠(chǎng)家采用了更先進(jìn)的方式，通過(guò)記錄發(fā)動(dòng)機轉速和溫度來(lái)計算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動(dòng)式粘度傳感器，其工作原理與振動(dòng)式粘度計相近--振子(球型、片狀或棒式)在受到粘滯阻尼時(shí)其振頻會(huì )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。有一種振動(dòng)式粘度計的振子是石英棒，它能被激發(fā)扭振，通過(guò)測量與液體粘度相對應的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度(準確地說(shuō)應是粘度和密度的綜合值)?？梢?jiàn)，振動(dòng)式粘度計是通過(guò)測量液體所傳遞的切變波形來(lái)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(huì )產(chǎn)生畸變而導致測試值與液體的對應關(guān)系較差。
粘度傳感器設置了一種界面來(lái)改善傳感元件與液體之間的接觸關(guān)系，傳感器的核心是一個(gè)壓電轉換器，在它兩側施加電壓時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生切向運動(dòng)。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(guò)振蕩器所產(chǎn)生的交變電壓來(lái)確定傳感元件的諧振頻率。因為在諧振時(shí)，傳感元件的電阻達到最大值，隨著(zhù)液體粘度的變化，這個(gè)蜂值也相應變化，并通過(guò)峰值檢測電路轉化為電壓信號。絕緣層的厚度根據所測粘度的范圍來(lái)確定，因為從液體界面處反射回來(lái)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(gè)波長(cháng)。
磁敏式速度傳感器:SST技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻(GMR)材料與半導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(chǎng)的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導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節器所構成。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(guò)鋁箔把其連入BICMOS電路，再周邊鍍上一層合金以聚集磁力線(xiàn)。這種傳感器是雙極型結構，通過(guò)電平轉換輸出一個(gè)方波形脈沖信號，其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉頻率是相同的，而勵磁機構是一塊永久磁鐵。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構，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉頻率相同的特點(diǎn)。在允許溫度和工作頻率范圍內，其頻寬比為(50±10)%，輪齒模數2.5時(shí)，氣隙特性可達3mm。
據數據顯示，2002年全球汽車(chē)傳感器的市場(chǎng)規模為70.1億美元，預計到2005年將達到85.2億美元，年平均增長(cháng)率為6.7％；全球2002年汽車(chē)傳感器的市場(chǎng)需求量為10.38億只，預計到2005年將達到12.83億只，年平均增長(cháng)率為7.3％。和全球范圍傳感器產(chǎn)業(yè)相比，國內汽車(chē)傳感器尚未形成獨立的產(chǎn)業(yè)，仍然依附于汽車(chē)儀表企業(yè)。自20世紀80年代以來(lái)，國內汽車(chē)儀表行業(yè)引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，基本滿(mǎn)足了國內小批量、低水平車(chē)型的配套需求。眾多轎車(chē)、輕型車(chē)及部分載貨車(chē)中采用新的電子產(chǎn)品，需要大批量、高水平的汽車(chē)傳感器，但國內現有最高水平的汽車(chē)傳感器產(chǎn)品比國外同類(lèi)產(chǎn)品落后10多年，每年要進(jìn)口50萬(wàn)套以上的高性能汽車(chē)傳感器。而伴隨著(zhù)國內汽車(chē)產(chǎn)量的迅速增長(cháng)，今后幾年國內汽車(chē)工業(yè)對傳感器及其配套變送器和儀表的需求亦將大大增加。實(shí)現汽車(chē)傳感器的國產(chǎn)化勢在必行。
汽車(chē)傳感器作為汽車(chē)電子控制系統的信息源，是汽車(chē)電子控制系統的關(guān)鍵部件，也是汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內容之一。汽車(chē)傳感器對溫度、壓力、位置、轉速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準確的測量和控制。衡量現代高級轎車(chē)控制系統水平的關(guān)鍵就在于其傳感器的數量和水平。今天的汽車(chē)，傳感器已是無(wú)處不在。一輛國內普通家用轎車(chē)上大約安裝了近百個(gè)傳感器，而豪華轎車(chē)上的傳感器數量多達200只。未來(lái)汽車(chē)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。
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