現(xiàn)代汽車傳感技術(shù)的發(fā)展商機(jī)
智能傳感器是一種帶微型計(jì)算機(jī)兼有檢測(cè)、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統(tǒng)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(duì)測(cè)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(jì)算與處理工作等等。世界各國(guó)都在車用傳感器硬件的基礎(chǔ)上,努力用軟件來(lái)解決汽車電氣干擾大、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(duì)汽車參數(shù)測(cè)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(hào)大、信噪比高、抗干擾性能好,有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進(jìn)行研制與開發(fā),并取得成功并加以應(yīng)用。
我國(guó)現(xiàn)有汽車2000萬(wàn)輛,并且每年以5%以上的速度遞增,但是目前電噴汽車還只占10%左右,國(guó)家規(guī)定停止化油器汽車的生產(chǎn),新出廠的汽車要求全部安裝“電噴”系統(tǒng)。上海聯(lián)合汽車電子現(xiàn)在年產(chǎn)120萬(wàn)套電噴系統(tǒng)傳感器,約4000~6000元/套,其中,汽車傳感器占60%以上的產(chǎn)值。國(guó)內(nèi)電噴系統(tǒng)應(yīng)用傳感器占系統(tǒng)的70%以上,ABS傳感器的成本為50元左右,國(guó)內(nèi)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(tǒng)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(dá)20億元。
在20世紀(jì)60年代,汽車上僅有機(jī)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)幫助控制汽車的動(dòng)力系統(tǒng),因?yàn)橥诔霈F(xiàn)的催化轉(zhuǎn)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安全性。自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)汽車儀表行業(yè)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術(shù),基本滿足了國(guó)內(nèi)小批量、低水平車型的配套需求。眾多轎車、輕型車及部分載貨車中采用新的電子產(chǎn)品,需要大批量、高水平的汽車傳感器,但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有最高水平的汽車傳感器產(chǎn)品比國(guó)外同類產(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傳感器。許多傳感器廠家為了增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,采用與國(guó)外同行業(yè)進(jìn)行合資經(jīng)營(yíng)的方式,消化吸收國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù),使產(chǎn)品升級(jí)換代,從而逐步發(fā)展壯大,有的已成為幾大“電噴”系統(tǒng)廠家的下游供應(yīng)商。但絕大多數(shù)企業(yè)還只是配套生產(chǎn)其它車用傳感器,處于利潤(rùn)少、產(chǎn)品單一、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平低下的狀況。而伴隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng),今后幾年國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)對(duì)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(xiàn)汽車傳感器的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。為適應(yīng)這一形勢(shì),應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)新型壓力、溫度、流量、位移等傳感器,盡快為汽車工業(yè)解決電噴系統(tǒng)、空調(diào)排污系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所需的傳感器是十分迫切的任務(wù)。汽車傳感器對(duì)整車廠而言,是二級(jí)配套產(chǎn)品,必須以系統(tǒng)形式進(jìn)入整車廠配套。一級(jí)系統(tǒng)配套商的實(shí)力關(guān)系到主機(jī)廠的品牌,所以必須建立系統(tǒng)平臺(tái),以系統(tǒng)帶動(dòng)傳感器的發(fā)展。
微型傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù),將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)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(tǒng)測(cè)試精度。當(dāng)前,該技術(shù)逐步成熟,可以制作檢測(cè)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(guī)模應(yīng)用將不僅限于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制和安全氣囊,在未來(lái)幾年內(nèi),包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABS、車輛動(dòng)力的控制、自適應(yīng)導(dǎo)航、車輛行駛安全系統(tǒng)在內(nèi)的應(yīng)用,將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場(chǎng)。
在動(dòng)力系統(tǒng)中,有用來(lái)測(cè)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(如車速、節(jié)氣門開度、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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(tǒng)和懸架控制裝置中測(cè)定車輪轉(zhuǎn)速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器;保護(hù)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(zhǔn)確的工作。面對(duì)制造商提供的側(cè)量、頂置式氣囊以及更精巧的側(cè)置頭部氣囊,還要增加傳感器。
近年來(lái)從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(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(cè)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(xiàn)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(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列,非常適合在汽車上應(yīng)用。
市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)顯示,2002年全球汽車傳感器的市場(chǎng)規(guī)模為70.1億美元,預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到85.2億美元,年平均增長(zhǎng)率為6.7%;全球2002年汽車傳感器的市場(chǎng)需求量為10.38億只,預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到12.83億只,年平均增長(zhǎng)率為7.3%。和全球范圍傳感器產(chǎn)業(yè)相比,國(guó)內(nèi)汽車傳感器尚未形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè),仍然依附于汽車儀表企業(yè)。我國(guó)的汽車工業(yè)發(fā)展加快,估計(jì)2010年將達(dá)600萬(wàn)輛的生產(chǎn)能力,若每輛車用10只傳感器,將需6000萬(wàn)套傳感器及其配套變送器和儀表。
汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展方向是開展基礎(chǔ)研究,發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,采用新原理,開發(fā)新材料,采用新工藝;擴(kuò)大傳感器的功能與應(yīng)用范圍。開發(fā)新材料是發(fā)展汽車傳感器技術(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(shè)計(jì)與制造出各種用于傳感器的功能材料,例如控制半導(dǎo)體氧化物的成分;可以制造出各種氣體傳感器;光導(dǎo)纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn);有機(jī)材料作為功能材料,正引起國(guó)內(nèi)外汽車電子化專家的極大關(guān)注。
近年來(lái),汽車用傳感器技術(shù)發(fā)展迅速,趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)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(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù);集成化是直接利用半導(dǎo)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?jìng)鞲衅髋c大規(guī)模集成電路結(jié)合,成為帶有專用微型計(jì)算機(jī)的傳感器。敏感元件的種類也越來(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:電阻型,電磁感應(yīng)型和霍爾效應(yīng)型, 光敏晶體型等。隨著研究人員用防撞傳感器(測(cè)距雷達(dá)或其他測(cè)距傳感器)來(lái)判斷和控制汽車的側(cè)向加速度、每個(gè)車輪的瞬時(shí)速度及所需的轉(zhuǎn)矩,使制動(dòng)系統(tǒng)成為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)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?dú)立的,由于有著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(dāng)于開關(guān)。隨著傳感器向電子化和數(shù)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,制造商們正在開發(fā)和生產(chǎn)更好的傳感器。
離子檢測(cè)系統(tǒng):三菱(Mitsubishi電子公司)正在開發(fā)一種車用離子檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠通過(guò)檢測(cè)離子來(lái)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的燃燒情況。當(dāng)可燃混合氣持續(xù)燃燒時(shí),在燃燒峰面附近就會(huì)發(fā)生電離現(xiàn)象。把一個(gè)帶偏壓的測(cè)頭放入氣缸,就可以測(cè)出與電離狀況相關(guān)的離子流。這個(gè)能反映發(fā)動(dòng)機(jī)各種燃燒狀況的信息控制系統(tǒng)由帶測(cè)頭的火花塞、裝有測(cè)試附件的點(diǎn)火線圈及一套處理離子流信號(hào)的電子模塊構(gòu)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣狀況加以監(jiān)控,即根據(jù)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:冷車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)達(dá)到閉環(huán)控制。通過(guò)縮小加熱區(qū)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(tǒng),使加熱器的壽命與現(xiàn)有類型相近,改善了低溫特性。
側(cè)滑傳感器:博世公司開發(fā)一種雙向傳感器,它是由采用壓電晶體的線性加速度計(jì)組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設(shè)置、信號(hào)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(hào)發(fā)生器并各自對(duì)應(yīng)著所測(cè)加速度方向的基準(zhǔn)面,對(duì)應(yīng)于某個(gè)基準(zhǔn)面的獨(dú)立信號(hào)就能測(cè)出相應(yīng)的作用力。而很高的品質(zhì)因數(shù)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:三菱電子公司開發(fā)的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結(jié)構(gòu),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(zhǎng)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(jù)硅梁振動(dòng)頻率變化引起的梁兩側(cè)玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測(cè)出。傳感器電路由電容電壓(C—V)轉(zhuǎn)換器和同步解調(diào)器構(gòu)成。C—V轉(zhuǎn)換器是一個(gè)轉(zhuǎn)換電容的比較器(ASIC)。當(dāng)測(cè)量范圍在±200°/s時(shí),非線性為±1%。
高壓傳感器:Denso公司開發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來(lái)檢測(cè)機(jī)油、液壓系統(tǒng)、汽油以及空調(diào)制冷劑的壓力,如制動(dòng)器的液壓控制系統(tǒng)、怠速下的空調(diào)機(jī)壓縮器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、燃油控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)以及自動(dòng)變速器中的液壓換擋系統(tǒng)。這些系統(tǒng)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(xiàn)了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。包括壓力感應(yīng)元件和放大電路在內(nèi)的所有元件都集中在一塊芯片上。
機(jī)油粘度傳感器:何時(shí)更換機(jī)油一般是根據(jù)廠家規(guī)定的時(shí)間或里程來(lái)進(jìn)行。少數(shù)廠家采用了更先進(jìn)的方式,通過(guò)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度來(lái)計(jì)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(jì)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(cè)出粘度和密度的一些參數(shù)。有一種振動(dòng)式粘度計(jì)的振子是石英棒,它能被激發(fā)扭振,通過(guò)測(cè)量與液體粘度相對(duì)應(yīng)的振幅和諧振頻寬,就可以確定粘度(準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)是粘度和密度的綜合值)。可見(jiàn),振動(dòng)式粘度計(jì)是通過(guò)測(cè)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(dǎo)致測(cè)試值與液體的對(duì)應(yīng)關(guān)系較差。
粘度傳感器設(shè)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(zhuǎn)換器,在它兩側(cè)施加電壓時(shí),就會(huì)產(chǎn)生切向運(yùn)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(tái)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?yàn)樵谥C振時(shí),傳感元件的電阻達(dá)到最大值,隨著液體粘度的變化,這個(gè)蜂值也相應(yīng)變化,并通過(guò)峰值檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。絕緣層的厚度根據(jù)所測(cè)粘度的范圍來(lái)確定,因?yàn)閺囊后w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(zhǎng)。
磁敏式速度傳感器:SST技術(shù)有限公司開發(fā)了一種一體化的傳感器,它是把高磁阻(GMR)材料與半導(dǎo)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(dǎo)體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號(hào)處理器和電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)成。先將高磁阻材料噴鍍?cè)贐ICMOS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。這種傳感器是雙極型結(jié)構(gòu),通過(guò)電平轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)方波形脈沖信號(hào),其輸出頻率與軟磁信號(hào)輪齒的回轉(zhuǎn)頻率是相同的,而勵(lì)磁機(jī)構(gòu)是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號(hào)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(hào)在兩電平之間變化的雙極型結(jié)構(gòu),脈沖頻率與信號(hào)輪齒或磁極的回轉(zhuǎn)頻率相同的特點(diǎn)。在允許溫度和工作頻率范圍內(nèi),其頻寬比為(50±10)%,輪齒模數(shù)2.5時(shí),氣隙特性可達(dá)3mm。
據(jù)數(shù)據(jù)顯示,2002年全球汽車傳感器的市場(chǎng)規(guī)模為70.1億美元,預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到85.2億美元,年平均增長(zhǎng)率為6.7%;全球2002年汽車傳感器的市場(chǎng)需求量為10.38億只,預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到12.83億只,年平均增長(zhǎng)率為7.3%。和全球范圍傳感器產(chǎn)業(yè)相比,國(guó)內(nèi)汽車傳感器尚未形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè),仍然依附于汽車儀表企業(yè)。自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)汽車儀表行業(yè)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術(shù),基本滿足了國(guó)內(nèi)小批量、低水平車型的配套需求。眾多轎車、輕型車及部分載貨車中采用新的電子產(chǎn)品,需要大批量、高水平的汽車傳感器,但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有最高水平的汽車傳感器產(chǎn)品比國(guó)外同類產(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傳感器。而伴隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng),今后幾年國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)對(duì)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(xiàn)汽車傳感器的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。
汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源,是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制。衡量現(xiàn)代高級(jí)轎車控制系統(tǒng)水平的關(guān)鍵就在于其傳感器的數(shù)量和水平。今天的汽車,傳感器已是無(wú)處不在。一輛國(guó)內(nèi)普通家用轎車上大約安裝了近百個(gè)傳感器,而豪華轎車上的傳感器數(shù)量多達(dá)200只。未來(lái)汽車傳感器技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、多功能化和智能化。
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評(píng)論