新型車用傳感器及發(fā)展趨勢解析

一、前言

汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的重要信息源，對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量和控制。衡量現(xiàn)代高級轎車控制系統(tǒng)水平的關(guān)鍵就在于其傳感器的數(shù)量和水平。當(dāng)前，一輛國內(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。未來汽車傳感器技術(shù)總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。

微型傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)，將微米級的敏感元件、信號處理器、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)測試精度。當(dāng)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。多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測兩個(gè)或兩個(gè)以上的特征參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，從而減少汽車傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。智能化是將傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，具有智能作用。

由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。下面介紹一些這方面的新產(chǎn)品。

二、離子檢測系統(tǒng)

三菱（Mitsubishi電子公司）正在開發(fā)一種車用離子檢測系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠通過檢測離子來監(jiān)控發(fā)動機(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發(fā)生電離現(xiàn)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)動機(jī)各種燃燒狀況的信息控制系統(tǒng)由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點(diǎn)火線圈及一套處理離子流信號的電子模塊構(gòu)成，它可以判別每個(gè)缸的點(diǎn)火、燃燒及爆震情況。進(jìn)一步的功能將是對發(fā)動機(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控制每個(gè)缸的空燃比。

三、快速起動的氧傳感器

冷車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動機(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。

四、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、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個(gè)經(jīng)過顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應(yīng)著所測加速度方向的基準(zhǔn)面，對應(yīng)于某個(gè)基準(zhǔn)面的獨(dú)立信號就能測出相應(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。

五、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，它的寬度和長度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，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)測量范圍在±200°/s時(shí)，非線性為±1%。

六、高壓傳感器

Denso公司開發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來檢測機(jī)油、液壓系統(tǒng)、汽油以及空調(diào)制冷劑的壓力，如制動器的液壓控制系統(tǒng)、怠速下的空調(diào)機(jī)壓縮器和動力轉(zhuǎn)向泵、燃油控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)以及自動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。

七、直熱式檢測傳感器

GM研發(fā)中心正在試驗(yàn)使用一種直熱式檢測系統(tǒng)來抑制后排末成年人座椅（RFIS）處的側(cè)量氣囊展開。將乘員席表面的溫度與駕駛員座椅表現(xiàn)溫度加以對比，若兩者不同且與預(yù)定值差異較大，則氣囊的展開就會受到抑制。乘員席的溫度由安置在座椅表面的熱敏電阻來測定，可采用直熱式或非直熱式熱敏電阻。

實(shí)際上這種抑制系統(tǒng)可采用多種檢測方式，當(dāng)直熱式探測器的工作不夠可靠時(shí)，可采用其他方式來提高該系統(tǒng)的可靠性。曾有人建議配置別的傳感器，如測量體重、電容、振動，使用超聲波、微波、光學(xué)及紅外線等。還有人建議為一個(gè)抑制系統(tǒng)配置多種檢測裝置，使其工作更加可靠。

八、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)間或里程來進(jìn)行。少數(shù)廠家采用了更先進(jìn)的方式，通過記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度來計(jì)算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動式粘度傳感器，其工作原理與振動式粘度計(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(shù)。有一種振動式粘度計(jì)的振子是石英棒，它能被激發(fā)扭振，通過測量與液體粘度相對應(yīng)的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度（準(zhǔn)確地說應(yīng)是粘度和密度的綜合值）?？梢?，振動式粘度計(jì)是通過測量液體所傳遞的切變波形來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產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致測試值與液體的對應(yīng)關(guān)系較差。

粘度傳感器設(shè)置了一種界面來改善傳感元件與液體之間的接觸關(guān)系，其原理與我們熟知的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和海洋船舶上的超聲波換能器相似。

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)，就會產(chǎn)生切向運(yùn)動。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。

一臺掃頻儀通過振蕩器所產(chǎn)生的交變電壓來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，并通過峰值檢測電路轉(zhuǎn)化為電壓信號。

絕緣層的厚度根據(jù)所測粘度的范圍來確定，因?yàn)閺囊后w界面處反射回來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。

九、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電路板上的信號處理器和電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)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)，通過電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)頻率是相同的，而勵磁機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉(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。

十、汽車用傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測2個(gè)或者2個(gè)以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)。集成化是指利用IC制造技術(shù)和精細(xì)加工技術(shù)制作IC式傳感器。智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有MPU，具有智能作用。新近研發(fā)的汽車用傳感器具有如下特點(diǎn)：數(shù)字化信號輸出、線性化微處理器補(bǔ)償、傳感器信號共用和加工、傳感器間接測量、復(fù)合傳感器信號處理、IC化和精細(xì)加工等。

纖傳感器現(xiàn)已開發(fā)出溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、液位、流量、振動、陀螺等上百種類型。由于光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、可彎曲、絕緣性好、無電磁干擾、寬頻帶、低損耗等特點(diǎn)，今后將會廣泛應(yīng)用到汽車上。

為提高汽車安全性和舒適性，生物體測量等方面的傳感器也在研究中。例如，駕駛員視野盲區(qū)障礙物測量、保持2車前后車距、碰撞自動保護(hù)等裝置中用傳感器。

傳感器信號輸出與控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口也是一個(gè)重要的研究課題。內(nèi)含有A／D、D／A、I／O驅(qū)動、緩沖RAM、程序ROM、MPU，并具有線性、溫度補(bǔ)償以及相應(yīng)控制程序的靈巧型汽車用傳感器引人注目，將使得汽車各系統(tǒng)的元器件數(shù)量大大減少，從而降低系統(tǒng)成本，減小體積和減輕質(zhì)量，并使整個(gè)系統(tǒng)更加簡單可靠。

總之，汽車用傳感器技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是傳感器自身的開發(fā)，而且更注重于對傳感器的互換性、耐久性、可靠性的開發(fā)。 加速度計(jì)相關(guān)文章:加速度計(jì)原理