微型傳感器在汽車(chē)工程中的應用

　　一、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(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)用性的微型機電器件，主要包括利用微型膜片的機械形變產(chǎn)生電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)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(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)使得它們非常適合于汽車(chē)方面的應用。

　　二、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)。

　　三、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。

　　(一)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。

　　1.溫度傳感器

　　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(xiàn)繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類(lèi)型。這三種類(lèi)型傳感器各有特點(diǎn)，其應用場(chǎng)合也略有區別。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10 ms;高溫型為600℃～1000℃，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20 ms)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，Lucas Novasensor， Hi Stat，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20kPa～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KP500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)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)惟一的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。

　　3.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0.11m3/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%，響應時(shí)間<10ms。

　　Honeywell的下屬微開(kāi)關(guān)(micro switch)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。

　　4.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0.5km/h～250km/h，重復精度為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(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 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錯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數電極、不透水層、電極接觸和保護層構成。其中，氧化鈣穩定氧化錯由反應濺射法積淀。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小;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)。

　　6.爆震傳感器

　　爆震傳感器用于檢測發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)，通過(guò)調整點(diǎn)火提前角控制和避免發(fā)動(dòng)機發(fā)生爆震。為了最大限度地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機功率而不產(chǎn)生爆燃，點(diǎn)火提前角應控制在爆燃產(chǎn)生的臨界值，當發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生爆燃時(shí)，傳感器將爆燃引起的震動(dòng)轉變成電信號，并傳給電子控制單元。檢測爆震有檢測氣缸壓力、發(fā)動(dòng)機機體振動(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200 mV/gn，在振幅為0.1-10 gn范圍內具有良好線(xiàn)性度。

　　7.節氣門(mén)位置傳感器

　　節氣門(mén)位置傳感器安裝在節氣門(mén)上，其功能是將發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)的開(kāi)度信號轉變成電信號，并傳遞給電子控制單元，用以感知發(fā)動(dòng)機的負荷大小和加減速工況。最常用的是可變電阻式節氣門(mén)位置傳感器。該傳感器是一種典型的節氣門(mén)傳感器，主要由一個(gè)線(xiàn)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)用復位彈簧控制，與節氣門(mén)同軸轉動(dòng)。工作時(shí)，線(xiàn)形變位器的觸點(diǎn)在電阻體上滑動(dòng)，根據變化的電阻值，可以測得與節氣門(mén)開(kāi)度成正比的線(xiàn)性輸出電壓信號。根據輸出電壓值，電子控制單元可獲知節氣門(mén)的開(kāi)度和開(kāi)度變化率，從而精確 判斷發(fā)動(dòng)機的運行工況，提高控制精度和效果。怠速信號滑動(dòng)觸點(diǎn)是常開(kāi)觸點(diǎn)，只有在節氣門(mén)全閉時(shí)才閉合，產(chǎn)生怠速觸點(diǎn)信號，主要用 于怠速控制、斷油控制及點(diǎn)火提前角的修正。

　　(二)安全系統方面用傳感器

　　安全是汽車(chē)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(chē)安全氣囊的微型加速度計，測角速率的表面微機械陀螺等。

　　1.微加速度傳感器

　　目前，安全氣囊是而且將來(lái)也是MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應用。所用的硅加速度計的量程一般為50gn。較早的如像摩托羅拉公司用體微細加工技術(shù)制作的硅加速度傳感器。

　　瑞典Henrik等人報道了一種新型的硅微三軸加速度計，其外形結構參數為6mm×4mm×l.4 mm，它有4個(gè)敏感質(zhì)量塊，4個(gè)獨立的信號讀出電極和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很大而不能敏感加速度的結構特征。在加速度計的橫截面上，由于各向異性腐蝕的結果，敏感梁的厚度方向與加速度計的法線(xiàn)方向(z軸)成35.26°(tan 35.26°= 0.707)。

　　2.表面微機械陀螺

　　傳統的陀螺儀是由高速旋轉的轉子、內環(huán)、外環(huán)和基座組成，這種陀螺儀的內外環(huán)通常是用滾珠軸承支撐，這些通常是用機械加工方法制成，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。微機械陀螺是具有復雜的檢測與控制電路的MEMS裝置。Said Emre A1 per等人報道了一種結構對稱(chēng)，并具有解耦特性的表面微機械陀螺。該敏感結構在其最外邊的4個(gè)角都設置了支承“錨”，與傳統的直接支承在“錨”上的實(shí)現方式不同，它利用一種對稱(chēng)結構敏感質(zhì)量塊支承在連接梁上，并通過(guò)梁將驅動(dòng)電極和敏感電極有機地連接在一起。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械耦合。

　　該微機械陀螺的平面外輪廓的結構參數為1mm2，厚度僅為2μm。其工作原理是：當在敏感質(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的交流激勵電壓時(shí)，敏感質(zhì)量塊將在y軸方向上產(chǎn)生固有振動(dòng)。當陀螺感受到繞z軸的角速度時(shí)，由于科氏效應，敏感質(zhì)量塊將產(chǎn)生沿x軸的附加振動(dòng)。通過(guò)測量附加振動(dòng)的振動(dòng)幅值就可以得到被測的角速度。在常規的大氣情況下，該敏感結構具有優(yōu)于0.37°/s的分辨力。

　　(三)車(chē)輛監控和自診斷用傳感器

　　在車(chē)輛監控和自診斷方面，MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應用將是輪胎壓力監測;其次是應用于冷卻、剎車(chē)等系統的傳感器。此外，還有如像在亮度控制系統中使用光傳感器;在電子駕駛系統中使用磁傳感器、氣流速度傳感器;在自動(dòng)空調系統中使用室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器;在導向行駛系統中使用方位傳感器、車(chē)速傳感器等。

　　(四)高溫微電子在汽車(chē)中的應用

　　高溫微電子在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車(chē)、動(dòng)力管理及分配等方面的監控中都起著(zhù)非常重要的作用。例如：用于發(fā)動(dòng)機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，用傳統的硅半導體技術(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(wèn)題，必須研制一種新的材料來(lái)取代傳統的半導體材料。第三代寬能帶半導體材料SIC具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速率、高熱導率及抗輻照能力強等一系列優(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(guò)傳統的硅功率器件，而且，其體積比Si功率器件也要小。

　　四、結束語(yǔ)

　　由于汽車(chē)傳感器在汽車(chē)電子控制系統中的重要作用和快速增長(cháng)的市場(chǎng)需求，世界各國對其理論研究、新材料應用和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都非常重視。未來(lái)的汽車(chē)用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、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(chē)電子系統成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已開(kāi)始逐步取代基于傳統機電技術(shù)的傳感器。隨著(zhù)納米技術(shù)的進(jìn)步，體積更小、造價(jià)更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應用在汽車(chē)的各個(gè)方面。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、剎車(chē)防抱死系統、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)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)。