智能傳感器發(fā)展及其在現(xiàn)代汽車電子中的應(yīng)用

現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)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、從汽車電子操控和安全系統(tǒng)談起

　　近幾年來(lái)我國(guó)汽車工業(yè)增長(zhǎng)迅速，發(fā)展勢(shì)頭很猛。因此評(píng)論界出現(xiàn)了一些專家的預(yù)測(cè)：汽車工業(yè)有可能超過(guò)IT產(chǎn)業(yè)，成為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實(shí)，汽車工業(yè)的增長(zhǎng)必將包含與汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的IT 產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)。例如，雖然目前在我國(guó)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(guó)外汽車中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價(jià)值含量平均約為22%，中、高檔轎車中汽車電子已占30%以上，而且這個(gè)比例還在、不斷地快速增長(zhǎng)，預(yù)期很快將達(dá)到50%。

　　電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導(dǎo)因素，汽車（機(jī)動(dòng)車）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，都將依賴于機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結(jié)合。汽車工程界專家指出：電子技術(shù)的發(fā)展已使汽車產(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(duì)汽車電子空前關(guān)注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內(nèi)音響、視頻裝備，車用通信、導(dǎo)航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等車內(nèi)電子設(shè)備的本質(zhì)改變較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件（包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等）到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)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(zhí)行器、智能變送器）。

　　實(shí)際上，汽車電子已經(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(jiān)測(cè)控制，經(jīng)過(guò)了電子元器件或組件加微處理器構(gòu)筑的各自獨(dú)立的、專用的、半自動(dòng)和自動(dòng)的操控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了采用高速總線（目前至少有5種以上總線已開發(fā)使用），統(tǒng)一交換汽車運(yùn)行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)綜合、智能調(diào)控的新階段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個(gè)電子控制單元（ECU）組成，可以獨(dú)立操控，同時(shí)又能協(xié)調(diào)到整體運(yùn)行的最佳狀態(tài)。例如為使發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)定開始，再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計(jì)算出基本噴油量，同時(shí)還要通過(guò)節(jié)氣門位置傳感器檢測(cè)節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，進(jìn)而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過(guò)曲軸的角速度傳感器監(jiān)測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終計(jì)算出并發(fā)出最佳點(diǎn)火時(shí)機(jī)的指令。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火綜合控制系統(tǒng)還可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)等組合，構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)。

　　還可以舉一個(gè)安全駕駛方面的例子，出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對(duì)四個(gè)輪子的操控上，除了應(yīng)用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置（ABS）外，許多轎車，包括國(guó)產(chǎn)車，已增設(shè)了電子動(dòng)力分配系統(tǒng)（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時(shí)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外的一些汽車進(jìn)一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)（EBA），該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)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(jí)）內(nèi)完成。這個(gè)系統(tǒng)能使200km/h高速行駛車輛的制動(dòng)滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對(duì)車輪的還有分別監(jiān)測(cè)各個(gè)車輪相對(duì)于車速的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而為每個(gè)車輪平衡分配動(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(tǒng)等。

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

1．電子操控系統(tǒng)的動(dòng)作必須快速、正確、可靠。傳感器（+調(diào)理電路）+微處理器，然后再通過(guò)微處理器（+功率放大電路）+執(zhí)行器的技術(shù)途徑已經(jīng)不再能滿足現(xiàn)代汽車的要求，需要通過(guò)硬件集成、直接交換數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化電路，并提高智能化程度來(lái)確保控制單元?jiǎng)幼鞯恼_性、可靠性和適時(shí)性。

　　2．現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內(nèi)的空間有限，構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當(dāng)然是，電子控制單元應(yīng)與受控制 部件緊密結(jié)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，但在極大多數(shù)時(shí)間內(nèi)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(hù)能力，不斷確認(rèn)氣囊系統(tǒng)的可正常運(yùn)作的可靠性，確保動(dòng)作的“萬(wàn)無(wú)一失”。

　　4．汽車的各種功能部件都有各自的運(yùn)動(dòng)、操控特性，并且，對(duì)電子產(chǎn)品而言，大多處于非常惡劣的運(yùn)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(yùn)動(dòng)和高強(qiáng)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(wěn)定、抗環(huán)境和自適應(yīng)、自補(bǔ)償調(diào)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，汽車電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)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，它不僅能較好地滿足現(xiàn)代汽車的各項(xiàng)需要，而且因?yàn)榭梢栽诩呻娐窐?biāo)準(zhǔn)硅工藝線上批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車工業(yè)中找到了自己最大的應(yīng)用市場(chǎng)，反過(guò)來(lái)也有力地促進(jìn)了汽車工業(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始迅速發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。在我國(guó)的報(bào)刊雜志上目前所使用的技術(shù)名稱還比較含混，仍然籠統(tǒng)地稱之為傳感器，或者含糊地歸納為汽車半導(dǎo)體器件，也有將智能傳感器（或智能執(zhí)行器、智能變送器）與微系統(tǒng)、MEMS等都?xì)w入了MEMS （微機(jī)電系統(tǒng)）名稱下的。這里介紹當(dāng)前一些歐美專著中常用的技術(shù)名詞的定義和技術(shù)內(nèi)涵。 首先必須說(shuō)明的是，在絕大多數(shù)情況下，本文大小標(biāo)題及全文中所說(shuō)的傳感器其實(shí)是泛指了三大類器件：將非電學(xué)輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)換成電磁學(xué)信號(hào)輸出的傳感器；將電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成非電學(xué)參量輸出的執(zhí)行器；以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器，其中較多的是將一種電磁學(xué)參量形式轉(zhuǎn)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(kuò)大類推到微執(zhí)行器、微變送器-傳感器（或執(zhí)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(jí)的。微傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡(jiǎn)單的物理縮小的產(chǎn)物，而是基于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的新一代器件：應(yīng)用新的工作機(jī)制和物化效應(yīng)，采用與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料，用微細(xì)加工技術(shù)制備的。因此有時(shí)也稱為硅傳感器。可以用類似的定義和技術(shù)特征類推描述微執(zhí)行器和微變送器。

它由兩塊芯片組成，一是具有自檢測(cè)能力的加速度計(jì)單元（微加速度傳感器），另一塊則是微傳感器與微處理器（MCU）間的接口電路和MCU。這是一種較早期（1996年前后）的，但已相當(dāng)實(shí)用的器件，可用于汽車的自動(dòng)制動(dòng)和懸掛系統(tǒng)中，并且因微加速度計(jì)具有自檢能力，還可用于安全氣囊。從此例中可以清楚看到，微傳感器的優(yōu)勢(shì)不僅是體積的縮小，更在于能方便地與集成電路組合和規(guī)模生產(chǎn)。應(yīng)該指的是，采用這種兩片的解決方案可以縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)前期小批量試產(chǎn)的成本。但對(duì)實(shí)際應(yīng)用和市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，單芯片的解決方案顯然更可取，生產(chǎn)成本更低，應(yīng)用價(jià)值更高。

　　智能傳感器（Smart Sensor）、智能執(zhí)行器和智能變送器-微傳感器（或微執(zhí)行器，或微變送器）和它的部分或全部處理器件、處理電路集成在一個(gè)芯片上的器件（例如上述的微加速度計(jì)的單芯片解決方案）。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運(yùn)算、主動(dòng)鑒別環(huán)境，自動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償適應(yīng)環(huán)境的能力，自診斷、自維護(hù)等。顯然，出于規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的要求，智能傳感器的設(shè)計(jì)思想、材料選擇和生產(chǎn)工藝必須要盡可能地和集成電路的標(biāo)準(zhǔn)硅平面工藝一致。可以在正常工藝流程的投片前，或流程中，或工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應(yīng)太多。

　　在一個(gè)封裝中，把一只微機(jī)械壓力傳感器與模擬用戶接口、8位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR）、微處理器（摩托羅拉69HC08）、存儲(chǔ)器和串行接口 （SPI）等集成在一個(gè)芯片上。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細(xì)加工技術(shù)制作的。制備硅壓力傳感器的工序既可安排在集成 CMOS 電路工藝流程之前，亦可在后。這種智能壓力傳感器的技術(shù)和市場(chǎng)都已成熟，已廣泛用于汽車（機(jī)動(dòng)車）所需的各式各樣的壓力測(cè)量和控制單元中，諸如各種氣壓計(jì)、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動(dòng)裝置等。智能壓力傳感器的應(yīng)用很廣，不局限于汽車工業(yè)。目前，生產(chǎn)智能壓力傳感器的廠商已不少，市售商品的品種也很多，已經(jīng)出現(xiàn)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果是智能壓力傳感器體積越來(lái)越小，隨之控制單元所需的外圍接插件和分立元件越來(lái)越少，但功能和性能卻越來(lái)越強(qiáng)，而且生產(chǎn)成本降低很快（現(xiàn)在約為幾美元一只）。

　　順便需要說(shuō)說(shuō)的是，在一些中文資料中，尤其是一些產(chǎn)品宣傳性材料中，籠統(tǒng)地將Smart Sensor(或device)和Intelligent sensor（或device）都稱之為智能傳感器，但在歐美文獻(xiàn)中是有所差別的。西方專家和公眾通常認(rèn)為，Smart（智能型）傳感器比Intelligent(知識(shí)型)的智慧層次和能力更高。當(dāng)然，知識(shí)型的內(nèi)涵也在不斷進(jìn)化，但那些只能簡(jiǎn)單響應(yīng)環(huán)境變化，作一些相應(yīng)補(bǔ)償、調(diào)整工作狀態(tài)的，特別是不需要集成處理器的器件，其知識(shí)等級(jí)太低，一般不應(yīng)歸入智能器件范疇。

相信大多數(shù)讀者能經(jīng)常接觸到的，最貼近生活的智能傳感器可能要算是用于攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)攝像中的CCD圖像傳感器了。這是一種非智能型傳感器莫屬的情況，因?yàn)镃CD 陣列中每個(gè)硅單元由光轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)極弱，必須直接和及時(shí)移位寄存、并處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的圖像格式信號(hào)。還有更復(fù)雜一些的，在中、高檔長(zhǎng)焦距（IOX）光學(xué)放大數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)上裝備的電子和光學(xué)防抖系統(tǒng)，特別是高端產(chǎn)品中的真正光學(xué)防抖系統(tǒng)。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計(jì)或微陀螺儀，通過(guò)它監(jiān)測(cè)機(jī)身的抖動(dòng)，并換算成鏡頭的各軸向位移量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鏡頭中可變角度透鏡的移動(dòng)，使光學(xué)系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。

　　微系統(tǒng)（Microsystem）和MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）-由微傳感器、微電子學(xué)電路（信號(hào)處理、控制電路、通信接品等）和微執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)三級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)、集成在一個(gè)芯片上的器件稱之為微系統(tǒng)。如果其中擁有機(jī)械聯(lián)動(dòng)或機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等微機(jī)械部件的器械則稱之為MEMS。

　　MEMS芯片的左側(cè)給出的是制備MEMS芯片需要的基本工藝技術(shù)。它的右側(cè)則為主要應(yīng)用領(lǐng)域列舉。很明顯，MEMS 的最好解決方案也是選用與硅工藝兼容的材料及物理效應(yīng)、設(shè)計(jì)理念和工藝流程，也即采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 工藝與二維、三維微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合的方法，其中也包括微機(jī)械結(jié)構(gòu)件的制作。

　　微傳感器合乎邏輯的發(fā)展延伸是智能傳感器，智能傳感器自然延伸則是微系統(tǒng)和MEMS，MEMS 的進(jìn)一步發(fā)展則是能夠自主接收、分辨外界信號(hào)和指令，進(jìn)而能獨(dú)立、正確動(dòng)作的微機(jī)械（Micromachines）。現(xiàn)在，開發(fā)成功、并已有商業(yè)產(chǎn)品的MEMS品種已不少，涵蓋圖4所示的各大領(lǐng)域。其中包括全光光通信和全光計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件之一的二維、三維MEMS光開關(guān)。

　　通過(guò)控制芯片上的微反射鏡陣列，實(shí)現(xiàn)光輸入/輸出的交叉互聯(lián)。這是目前全光交換技術(shù)的成熟的最佳方案。市場(chǎng)上可買到的MEMS光開關(guān)已達(dá)1296路，開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為20ms。

　　微機(jī)械（也稱為納米機(jī)械）則尚處于開發(fā)試驗(yàn)階段，但已有許多很重要的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品涌現(xiàn)，如著名的納米電機(jī)、微昆蟲、微直升機(jī)和潛水艇等。技術(shù)產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為，它們的開發(fā)成功和投入實(shí)際應(yīng)用將對(duì)工業(yè)技術(shù)和生活質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。