現(xiàn)代汽車電子中關(guān)于智能傳感器的應(yīng)用與發(fā)展
智能傳感器(SmartSensor)、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芯片上的器件(例如上述的微加速度計的單芯片解決方案)。因此智能傳感器具有一定的仿生能力,如模糊邏輯運算、主動鑒別環(huán)境,自動調(diào)整和補償適應(yīng)環(huán)境的能力,自診斷、自維護等。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準硅平面工藝一致??梢栽谡9に嚵鞒痰耐镀?,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。
在一個封裝中,把一只微機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)、存儲器和串行接口(SPI)等集成在一個芯片上。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細加工技術(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)和市場都已成熟,已廣泛用于汽車(機動車)所需的各式各樣的壓力測量和控制單元中,諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。
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)激烈的競爭。結(jié)果是智能壓力傳感器體積越來越小,隨之控制單元所需的外圍接插件和分立元件越來越少,但功能和性能卻越來越強,而且生產(chǎn)成本降低很快(現(xiàn)在約為幾美元一只)。
順便需要說說的是,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SmartSensor(或device)和Intelligentsensor(或device)都稱之為智能傳感器,但在歐美文獻中是有所差別的。西方專家和公眾通常認為,Smart(智能型)傳感器比Intelligent(知識型)的智慧層次和能力更高。當然,知識型的內(nèi)涵也在不斷進化,但那些只能簡單響應(yīng)環(huán)境變化,作一些相應(yīng)補償、調(diào)整工作狀態(tài)的,特別是不需要集成處理器的器件,其知識等級太低,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、攝像機、手機攝像中的CCD圖像傳感器了。
這是一種非智能型傳感器莫屬的情況,因為CCD陣列中每個硅單元由光轉(zhuǎn)換成的電信號極弱,必須直接和及時移位寄存、并處理轉(zhuǎn)換成標準的圖像格式信號。還有更復(fù)雜一些的,在中、高檔長焦距(IOX)光學放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學防抖系統(tǒng),特別是高端產(chǎn)品中的真正光學防抖系統(tǒng)。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計或微陀螺儀,通過它監(jiān)測機身的抖動,并換算成鏡頭的各軸向位移量,進而驅(qū)動鏡頭中可變角度透鏡的移動,使光學系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。
微系統(tǒng)(Microsystem)和MEMS(微機電系統(tǒng))-由微傳感器、微電子學電路(信號處理、控制電路、通信接品等)和微執(zhí)行器構(gòu)成一個三級級聯(lián)系統(tǒng)、集成在一個芯片上的器件稱之為微系統(tǒng)。如果其中擁有機械聯(lián)動或機械執(zhí)行機構(gòu)等微機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)計理念和工藝流程,也即采用常規(guī)標準的CMOS工藝與二維、三維微細加工技術(shù)相結(jié)合的方法,其中也包括微機械結(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的進一步發(fā)展則是能夠自主接收、分辨外界信號和指令,進而能獨立、正確動作的微機械(Micromachines)?,F(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算機的關(guān)鍵部件之一的二維、三維MEMS光開關(guān)。
通過控制芯片上的微反射鏡陣列,實現(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。市場上可買到的MEMS光開關(guān)已達1296路,開關(guān)轉(zhuǎn)換時間約為20ms。
微機械(也稱為納米機械)現(xiàn)在還處于在開發(fā)試驗階段,但已有許多很重要的實驗室產(chǎn)品涌現(xiàn),如著名的納米電機、微昆蟲、微直升機和潛水艇等。業(yè)界普遍認為,它們的開發(fā)成功和投入實際應(yīng)用將對工業(yè)技術(shù)和生活質(zhì)量產(chǎn)生深遠的影響。
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