微型傳感器在汽車中的應(yīng)用

安全、舒適、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時(shí)獲取，這勢(shì)必要求在汽車中大量采用各種傳感器。傳統(tǒng)的傳感器往往體積和重量大，成本高，它們?cè)谄嚨膽?yīng)用受到很大的限制。

近年來(lái)從半導(dǎo)體集成電路(IC)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的MEMS (Microelectromechnical System, 微電子機(jī)械系統(tǒng))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，這些特點(diǎn)使得它們非常適合于汽車方面的應(yīng)用。

80年代初，微型壓阻式多路絕對(duì)壓力（Manifold Absolute Pressure）傳感器開(kāi)始大批量生產(chǎn)，取代了早期采用LVDT技術(shù)的壓力傳感器。80年代中期微型加速度傳感器開(kāi)始用于汽車安全氣囊,它們是到目前為止大量生產(chǎn)的、并在汽車中得到廣泛應(yīng)用的微型傳感器。然而微型傳感器的大規(guī)模應(yīng)用勢(shì)必將不限于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制和安全氣囊,在未來(lái)5～7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(antilock brake system,防抱死系統(tǒng)）、車輛動(dòng)力學(xué)控制、自適應(yīng)導(dǎo)航、車輛行駛安全系統(tǒng)（如氣囊和障礙物檢測(cè)與避撞等）在內(nèi)的應(yīng)用將為MEMS技術(shù)提供廣闊的市場(chǎng)。

全世界的汽車產(chǎn)量將從2000年的4750萬(wàn)輛(包括客車、特種車輛和輕型卡車）增長(zhǎng)到2005年的5400萬(wàn)輛。2000年汽車用電子產(chǎn)品的市場(chǎng)為227億美元，預(yù)計(jì)到2005年達(dá)到309億美元，年平均增長(zhǎng)率達(dá)到6.3%。相應(yīng)的每部汽車在電子產(chǎn)品方面所花費(fèi)的成本從2000年的477美元增加到2005年的572美元。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，2000年汽車傳感器的市場(chǎng)為61.7億美元(9.04億件產(chǎn)品），到2005年將達(dá)到84.5億美元(12.68億件），增長(zhǎng)率為6.5%(按美元計(jì))和7.0%(按產(chǎn)品件數(shù)計(jì)）。2000年北美所占汽車傳感器市場(chǎng)份額最大，為47%，接下來(lái)分別是歐洲(26%),日本(22%),和韓國(guó)(5%)。

速度和位置傳感器占2000年全部汽車傳感器市場(chǎng)(以美元計(jì)）的38%，接下來(lái)是氧氣傳感器（20%)、空氣質(zhì)量流量傳感器（13%）、加速度計(jì)(11%）、壓力傳感器(10%）、溫度傳感器(5%)及其他(3%）。

2000～2005年度汽車傳感器的主要增長(zhǎng)領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：用于車輛動(dòng)力學(xué)控制和安全氣囊的加速度計(jì)；用于傳動(dòng)、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器；用于車輛動(dòng)態(tài)控制、翻車報(bào)警和GPS后備的偏航速率傳感器；用于輪速以及凸輪軸、機(jī)軸、踏板位置敏感的位置傳感器；車廂環(huán)境監(jiān)控的濕度傳感器；日光、雨水和濕度傳感器；用于近距離障礙物檢測(cè)和避撞的測(cè)距傳感器。

汽車部件需要滿足多項(xiàng)環(huán)境、可靠性和成本等方面的要求。具體來(lái)說(shuō)，它們一方面必須能經(jīng)受各種高低溫、振動(dòng)、沖擊、潮濕、腐蝕性氣氛、電磁干擾等不利因素的考驗(yàn)；另一方面也必須適于大批量生產(chǎn)，一般要達(dá)到每年一百萬(wàn)件以上，這不僅是汽車量產(chǎn)的需求，也是收回設(shè)計(jì)和制造方面的巨額投資所必需的。此外，其可靠性也應(yīng)與汽車高達(dá)10年/15萬(wàn)英里的使用壽命相一致?？偠灾嚥考?ldquo;軍品的質(zhì)量，民品的價(jià)格”。

絕大多數(shù)微型傳感器采用硅材料。眾所周知，硅材料容易獲得很高的純度，有良好的機(jī)械性能且重量較輕，本身具有光電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)等多種傳感特性，且便于制作信號(hào)敏感與處理電路集成的傳感器。微型傳感器的主流工藝是硅基微機(jī)械加工工藝，它來(lái)源于已經(jīng)成熟的半導(dǎo)體工藝，可以同時(shí)加工出大量幾乎完全相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，除了具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)外，微型傳感器的可靠性較高，其供貨價(jià)格也可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)和工藝的傳感器。MEMS技術(shù)勢(shì)必將成為汽車傳感器的主流技術(shù)。最近的Roger Grace Associates/Nexus報(bào)告估計(jì)汽車用MEMS產(chǎn)品的銷售額將從2000年的17.5億美元增加到2005年的22.7億美元，年均增長(zhǎng)率為16.9%。

由于基于MEMS技術(shù)的微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢(shì)，它們已經(jīng)開(kāi)始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器。早期的多路絕對(duì)壓力傳感器已經(jīng)基本為微型化的傳感器所替代，目前這種傳感器的敏感元件和信號(hào)處理電路已經(jīng)可以集成在同一芯片上，從而大大縮小了體積并可以提高可靠性和減小干擾。

在其它壓力敏感應(yīng)用，特別是惡劣環(huán)境中（如置于發(fā)動(dòng)機(jī)油和散熱器冷卻劑中的），一般采用分立元件構(gòu)成的陶瓷電容式壓力開(kāi)關(guān)，它們現(xiàn)在將逐步被用鍵合方法制作的硅應(yīng)變計(jì)（一般固定在成本低而堅(jiān)固的封裝中）或壓敏電阻芯片（裝在帶不銹鋼膜片端蓋的充滿硅油的硅制外殼中)所替代。目前可以提供這類產(chǎn)品的廠商有Keller, Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco以及Integrated Sensor Solutions(ISS)/Texas Instruments。質(zhì)量流量傳感器通常是用分立的熱線構(gòu)成的，而目前Bosch公司利用表面微機(jī)械方法制作的微型化的傳感器已經(jīng)顯示出其顯著的優(yōu)勢(shì)。用于安全氣囊的撞擊傳感器已從簡(jiǎn)單的“球—管”(Ball And Tube)式傳感器演化為微型化和集成的加速度計(jì)，目前的主要廠商有ADI, Motorola, SensoNor,和Nippondenso等。其中Motorola 的微型加速度計(jì)產(chǎn)品如圖2所示。此外用量很大的輪速傳感器（用于ABS及車輛動(dòng)力學(xué)控制）也將由傳統(tǒng)的變磁阻式向霍爾式、各向異性磁阻比(AMR)和巨磁阻比(GMR)式發(fā)展。以上分析和實(shí)例說(shuō)明微型化是現(xiàn)有汽車用傳感器發(fā)展的主要方向。

本節(jié)將對(duì)微型傳感器在汽車中的主要應(yīng)用方向進(jìn)行分析，它們包括安全系統(tǒng)、提高舒適性/方便性/防盜、發(fā)動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)鏈以及車輛監(jiān)控和自診斷等四個(gè)方面。

安全氣囊目前是而且將來(lái)也是MEMS的一個(gè)主要應(yīng)用。所用的硅基加速度計(jì)的量程一般為50g。除了ADI公司外，一般的加速度計(jì)仍由多芯片組件構(gòu)成，提供經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)。ADI則采用較為先進(jìn)的單片式集成方法，在同一芯片上同時(shí)制作出加速度敏感元件與相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。

不少?gòu)S商已對(duì)利用壓縮空氣來(lái)代替打開(kāi)氣囊時(shí)所常用的鈉基化合物炸藥或作為它的一種補(bǔ)充進(jìn)行了研究。為此研究了用于檢測(cè)壓縮空氣缸壓力的傳感器，但目前尚未實(shí)際應(yīng)用。

懸掛系統(tǒng)應(yīng)該能夠在高速轉(zhuǎn)向時(shí)、在凹凸不平的路面上行駛時(shí)以及突然加速和剎車時(shí)讓車輛仍具有較好的駕駛性能。許多系統(tǒng)采用的是總體式閉環(huán)控制。完全主動(dòng)式的系統(tǒng)非常昂貴（2500～4000美元），其所用的液壓作傳動(dòng)裝置將消耗很大一部分功率，而且大大增加了重量。這些系統(tǒng)的引入確實(shí)改善了車輛的性能，但也大大增加了成本。因此它們?cè)诖笈可a(chǎn)的汽車上的應(yīng)用受到了限制。不過(guò)，許多廠商引入了半主動(dòng)控制的懸掛系統(tǒng)。其中一些在減震器上安裝了位移傳感器并采用了不少線加速度計(jì)。這方面的應(yīng)用要求的加速度量程僅為±2g的量級(jí)，它們?yōu)槲⑿蛡鞲衅鞯膽?yīng)用提供了很好的機(jī)會(huì)。

從1995年S級(jí)Mercedes轎車開(kāi)始，硅基壓力傳感器已用于檢測(cè)主制動(dòng)器氣缸的壓力。除角速率傳感器外，加速度傳感器、方向盤角度和車輪速度傳感器正逐步應(yīng)用于車輛動(dòng)力學(xué)控制中。但是，大部分車輛僅使用車輪速度傳感器（ABS,牽引力控制）。目前，Bosch公司的表面微機(jī)械陀螺或Systron

  Donner和Matsushita的音叉式陀螺等角速率傳感器的單個(gè)售價(jià)為25美元，其應(yīng)用僅限于高級(jí)轎車，如Mercedes(S級(jí))、BMW、Cadillac。多家著名的汽車及配件供應(yīng)商正在致力于設(shè)計(jì)性價(jià)比更高的系統(tǒng)。更廉價(jià)的基于MEMS技術(shù)的角速率傳感器將有助于這些系統(tǒng)在價(jià)格更低的汽車中應(yīng)用。

目前的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS（全球定位系統(tǒng))和儲(chǔ)存于CD-ROM中的電子地圖與車輪旋轉(zhuǎn)傳感器和速率陀螺或磁羅盤結(jié)合起來(lái)。但目前此類系統(tǒng)的價(jià)格很高，約為1800美元，只能作為待選的配件。在這方面的應(yīng)用中MEMS傳感器將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，它們的應(yīng)用將使這類系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來(lái)降到900美元以下。

汽車空調(diào)壓縮機(jī)中的壓力測(cè)量為MEMS技術(shù)提供了很好的機(jī)會(huì)。目前所使用的是其他技術(shù)(如TI的陶瓷電容壓力傳感器）。但很多MEMS技術(shù)公司正積極開(kāi)發(fā)相應(yīng)的微型傳感器，以爭(zhēng)奪這一很大的市場(chǎng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制一直被認(rèn)為是MEMS技術(shù)在汽車中的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。Delco, Motorola和Bosch公司生產(chǎn)了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的多路壓力傳感器。這些器件測(cè)量出的多路進(jìn)氣壓力可以用來(lái)計(jì)算空氣/燃料比。人們正在嘗試用空氣質(zhì)量流量(mass airflow）傳感器代替這類器件。目前市場(chǎng)上出售的產(chǎn)品采用了分立的熱線式風(fēng)速測(cè)量方法，它們的體積大、價(jià)格高。Bosch公司1995年引入了一種基于薄膜技術(shù)的新型質(zhì)量流量傳感器。現(xiàn)在許多組織正在對(duì)已經(jīng)微型化的這種傳感器進(jìn)行評(píng)估。除了多路壓力和質(zhì)量流量參數(shù)外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器還需要獲取大氣壓力參數(shù)，以便根據(jù)推算出的海拔高度信息確定合理的空氣/燃油比。MEMS技術(shù)將在這些應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

氣缸壓力測(cè)量對(duì)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。由于氣缸內(nèi)的溫度很高，壓電和光纖技術(shù)較為實(shí)用，不過(guò)它們昂貴的價(jià)格限制了其應(yīng)用。目前Ford和Chrysler公司的汽車中采用了廢氣循環(huán)(EGR）系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，陶瓷電容式壓力傳感器正為微型硅壓阻式傳感器所取代。無(wú)級(jí)可調(diào)傳動(dòng)系統(tǒng)需要測(cè)量液壓油的壓力。在這一方面，通過(guò)各種方法與工作介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)的微型壓力傳感器將有廣闊的應(yīng)用前景。Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions (最近為TI收購(gòu))和 SSI Technologies公司正開(kāi)發(fā)用于這類應(yīng)用的微型傳感器。它們都集成有通過(guò)EEPROM編程的硅基CMOS ASIC混合電路。

在這一方面，MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用將是輪胎壓力監(jiān)測(cè)。無(wú)論從安全行車還是從節(jié)省燃油的角度來(lái)看，有必要保持適當(dāng)?shù)妮喬コ錃鉅顟B(tài)。目前已有不少實(shí)時(shí)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基于MEMS技術(shù)的微型壓力傳感器是理想的敏感器件。隨著run-flat輪胎的引入，這些測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛安裝于各種新車型中。Run-flat輪胎的使用使人們不再需要備用胎和千斤頂。美國(guó)克林頓政府已制定了一項(xiàng)法令，要求到2004年美國(guó)境內(nèi)使用的載客汽車必須安裝這類裝置。這為微型壓力傳感器提供了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，Lucas NovaSensor, Motorola和 Sensonor等廠商正積極爭(zhēng)奪這一市場(chǎng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)油的監(jiān)測(cè)也為MEMS技術(shù)提供了一個(gè)重要的應(yīng)用機(jī)會(huì)。這些系統(tǒng)應(yīng)用的最大障礙是其價(jià)格。這類微型壓力傳感器必須能夠在溫度很高的發(fā)動(dòng)機(jī)油中正常工作，其硅制敏感芯片部分必須與工作介質(zhì)隔離開(kāi)。帶有全部信號(hào)調(diào)理電路并封裝好的傳感器的價(jià)格應(yīng)在5～7美元之間。壓力傳感器還可以應(yīng)用于監(jiān)控易揮發(fā)燃油油箱中的蒸氣壓，以確保無(wú)燃油蒸氣泄漏。

在不久的將來(lái)，汽車方面的應(yīng)用將繼續(xù)構(gòu)成MEMS技術(shù)的一個(gè)重要市場(chǎng)。如今傳統(tǒng)的多路絕對(duì)壓力傳感器和氣囊加速度計(jì)幾乎已經(jīng)完全被微型化的傳感器所替代。在輪速測(cè)量、冷卻系統(tǒng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓力和剎車壓力測(cè)量方面，人們正在考慮或已經(jīng)開(kāi)始用基于MEMS技術(shù)的傳感器來(lái)取代已有的產(chǎn)品。此外，人們還在考慮在許多新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中采用微型傳感器。價(jià)格、可靠性和體積等方面的優(yōu)勢(shì)將使微型傳感器成為汽車中各種參數(shù)測(cè)量的首選產(chǎn)品。目前這些優(yōu)勢(shì)已為實(shí)踐所證實(shí)。汽車用微型傳感器已受到科研機(jī)構(gòu)及廠商的高度重視，可以預(yù)言，未來(lái)5～7年其研制、生產(chǎn)與應(yīng)用將獲得高速增長(zhǎng)。