微型傳感器在汽車中的應用

安全、舒適、無污染、經(jīng)濟性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標。實現(xiàn)這些目標的關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獲取，這勢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，它們在汽車的應用受到很大的限制。 近年來從半導體集成電路IC技術發(fā)展而來的MEMS Microelectromechnical System, 微電子機械系統(tǒng)技術日漸成熟。利用這一技術可以制作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學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，這些特點使得它們非常適合于汽車方面的應用。 80年代初，微型壓阻式多路絕對壓力（Manifold Absolute Pressure）傳感器開始大批量生產(chǎn)，取代了早期采用LVDT技術的壓力傳感器。80年代中期微型加速度傳感器開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用的微型傳感器。然而微型傳感器的大規(guī)模應用勢必將不限于發(fā)動機燃燒控制和安全氣囊,在未來5～7年內(nèi)包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABSantilock brake system,防抱死系統(tǒng)）、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統(tǒng)（如氣囊和障礙物檢測與避撞等）在內(nèi)的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。 全世界的汽車產(chǎn)量將從2000年的4750萬輛包括客車、特種車輛和輕型卡車）增長到2005年的5400萬輛。2000年汽車用電子產(chǎn)品的市場為227億美元，預計到2005年達到309億美元，年平均增長率達到6.3。相應的每部汽車在電子產(chǎn)品方面所花費的成本從2000年的477美元增加到2005年的572美元。 據(jù)文獻報道，2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元9.04億件產(chǎn)品），到2005年將達到84.5億美元12.68億件），增長率為6.5按美元計和7.0按產(chǎn)品件數(shù)計）。2000年北美所占汽車傳感器市場份額最大，為47，接下來分別是歐洲26,日本22,和韓國5。 速度和位置傳感器占2000年全部汽車傳感器市場以美元計）的38，接下來是氧氣傳感器（20、空氣質(zhì)量流量傳感器（13）、加速度計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領域包括以下幾個方面：用于車輛動力學控制和安全氣囊的加速度計；用于傳動、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器；用于車輛動態(tài)控制、翻車報警和GPS后備的偏航速率傳感器；用于輪速以及凸輪軸、機軸、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和避撞的測距傳感器。 汽車部件需要滿足多項環(huán)境、可靠性和成本等方面的要求。具體來說，它們一方面必須能經(jīng)受各種高低溫、振動、沖擊、潮濕、腐蝕性氣氛、電磁干擾等不利因素的考驗；另一方面也必須適于大批量生產(chǎn)，一般要達到每年一百萬件以上，這不僅是汽車量產(chǎn)的需求，也是收回設計和制造方面的巨額投資所必需的。此外，其可靠性也應與汽車高達10年/15萬英里的使用壽命相一致�？偠�言之，汽車部件是“軍品的質(zhì)量，民品的價格”。 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，有良好的機械性能且重量較輕，本身具有光電效應、壓阻效應和霍爾效應等多種傳感特性，且便于制作信號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械加工工藝，它來源于已經(jīng)成熟的半導體工藝，可以同時加工出大量幾乎完全相同的機械結(jié)構(gòu)。因此，除了具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點外，微型傳感器的可靠性較高，其供貨價格也可以遠遠低于采用傳統(tǒng)機電技術和工藝的傳感器。MEMS技術勢必將成為汽車傳感器的主流技術。最近的Roger Grace Associates/Nexus報告估計汽車用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，年均增長率為16.9。 由于基于MEMS技術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，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術的傳感器。早期的多路絕對壓力傳感器已經(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。 在其它壓力敏感應用，特別是惡劣環(huán)境中（如置于發(fā)動機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關，它們現(xiàn)在將逐步被用鍵合方法制作的硅應變計（一般固定在成本低而堅固的封裝中）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 SolutionsISS/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。用于安全氣囊的撞擊傳感器已從簡單的“球—管”Ball And Tube式傳感器演化為微型化和集成的加速度計，目前的主要廠商有ADI, Motorola, SensoNor,和Nippondenso等。其中Motorola 的微型加速度計產(chǎn)品如圖2所示。此外用量很大的輪速傳感器（用于ABS及車輛動力學控制）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。以上分析和實例說明微型化是現(xiàn)有汽車用傳感器發(fā)展的主要方向。 本節(jié)將對微型傳感器在汽車中的主要應用方向進行分析，它們包括安全系統(tǒng)、提高舒適性/方便性/防盜、發(fā)動機/驅(qū)動鏈以及車輛監(jiān)控和自診斷等四個方面。 安全氣囊目前是而且將來也是MEMS的一個主要應用。所用的硅基加速度計的量程一般為50g。除了ADI公司外，一般的加速度計仍由多芯片組件構(gòu)成，提供經(jīng)過調(diào)理的信號。ADI則采用較為先進的單片式集成方法，在同一芯片上同時制作出加速度敏感元件與相應的信號調(diào)理電路，如圖3所示。 不少廠商已對利用壓縮空氣來代替打開氣囊時所常用的鈉基化合物炸藥或作為它的一種補充進行了研究。為此研究了用于檢測壓縮空氣缸壓力的傳感器，但目前尚未實際應用。 懸掛系統(tǒng)應該能夠在高速轉(zhuǎn)向時、在凹凸不平的路面上行駛時以及突然加速和剎車時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。完全主動式的系統(tǒng)非常昂貴（2500～4000美元），其所用的液壓作傳動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)的引入確實改善了車輛的性能，但也大大增加了成本。因此它們在大批量生產(chǎn)的汽車上的應用受到了限制。不過，許多廠商引入了半主動控制的懸掛系統(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。這方面的應用要求的加速度量程僅為±2g的量級，它們?yōu)槲⑿蛡鞲衅鞯膽�用提供了很好的機會。