車用傳感器發(fā)展探討

一般使用在車上的傳感器是以行車計算機系統(tǒng)作為輸入裝置，它將汽車運行中各種工作狀況信息，包括：車速、車況及各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動機運轉(zhuǎn)工作狀況及路面信息等，轉(zhuǎn)化成電訊號輸給計算機，以便發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)、排放廢氣污染為最小，及車身穩(wěn)定控制使行車最安全，是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵組件，也是汽車電子技術領域研究主要核心。

1.車用傳感器發(fā)展的主要因素--安全與舒適

根據(jù)市場調(diào)研公司BCC研究報告指出，2005年全球車用傳感器產(chǎn)值為105億美元，預計到2010年將提高至142億美元，年平均成長率為6.1%。最早車上傳感器主要是用在引擎或是驅(qū)動系統(tǒng)等行駛狀態(tài)監(jiān)測，主要有氧氣、流體、溫度、地壓與電流等傳感器。

隨著汽車市場對于駕駛安全、舒適性及操控性等要求持續(xù)提升，對分散在負責安全、舒適與環(huán)保等各個車用次系統(tǒng)的要求也越來越高，以提升安全功能的各式傳感器，占了整體傳感器數(shù)量的50%以上，年平均增長率最高，達到了13.7%，因此從汽車安全角度來看，傳感器應用是極為關鍵性的電子組件。

其次便是車用動力傳感器，包括，速度與氧氣傳感器增長率為6.7%、壓力與加速度傳感器為5.7%、空氣流量、溫度與其它傳感器增長率約為4.6%，年增長率約為6.2%;在所有傳感器組件中，則以速度與氧氣傳感器產(chǎn)值最高，預估將從2005年的62億美元提升至2010年的86億美元。

另外，在車用影像傳感器方面，根據(jù)iSuppli統(tǒng)計，車用CCD(CMOS) 影像傳感器在整個傳感器市場中，僅有1%左右市場占有率。但預期至2007年時，復合增長率將會超過40%，總銷售量也會超過1,100萬顆，未來每輛汽車上至少會裝配5至10個影像傳感器，若以一部汽車裝備10個影像傳感器，車用影像傳感器市場規(guī)模高達16億美元。

2.降低事故發(fā)生率

汽車安全發(fā)展至今，其終極目標就是降低事故發(fā)生率，而這也是車用傳感器發(fā)展以來最重大的指標之一。一般人向前的視野約略超過180度，不過，車上的三面后視鏡總計不過是40-50度的后照視野，更不要說大型車輛所能提供駕駛者的可視范圍;因此，車輛后方、側(cè)邊等死角也是造成意外擦撞的主要原因。

經(jīng)美國汽車安全的研究報告數(shù)據(jù)指出，在北美汽車零件市場中，后視鏡每年銷售金額保守估計超過2.5億美元，換句話說每年美國車主替換數(shù)以百萬計的后視鏡，或在車子各個部位加裝新的后視鏡，來改進汽車后方可視范圍。

不過，汽車后方視野盲點的產(chǎn)生原因很多，可能是因為后視鏡角度調(diào)整不正確，或是汽車結(jié)構(gòu)上有遮住駕駛員視野的后車柱，又或者是搭載大件行李遮住駕駛員向后方的視野。

此外目前汽車外型設計潮流走向高腰線，每部新發(fā)表的汽車外型門側(cè)車窗都更高了一些，駕駛員的視野也越來越被侵犯，而盲點偵測設備的需要似乎也越來越大。

因此，目前已有許多感測技術，甚至是雷達技術都已實際被應用在汽車上，藉以提升汽車駕駛的安全性，而眾多傳感器技術中，若能找到最可靠的感測技術，是不會受到光線明亮昏暗，或濃霧、下雨、下雪等天氣狀況，乃至于空氣污染、灰塵等環(huán)境狀況的影響。

3.車用傳感器在汽車上主要應用

3.1剎車系統(tǒng)

基于汽車必須具有平穩(wěn)、安全駕駛的考量，以車輛剎車系統(tǒng)為例，針對汽車四個輪子的操控上，除了運用大量位置、位移和壓力傳感器并普遍安裝了防爆沖死鎖剎車系統(tǒng)(Anti Lock Break System;ABS)外，包括國產(chǎn)車在內(nèi)，大都已增設電子剎車自動分配系統(tǒng)(Electronic Braking-pressure Distribution;EBD)，可大幅提升陰雨氣候、雪等天氣路況不佳時駕駛的穩(wěn)定性。

目前，高檔車款進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)(Electronic Brake Assistance;EBA)，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩剎車踏板時的速度和力度，并判斷緊急剎車的力度是否足夠，一旦需要就會自動增大剎車力度及強化性能。

3.2開車舒適、方便是駕駛者最大的駕車樂趣

許多高級及豪華車款的配備及設備都趨于人性化，不但彰顯其身份地位象征，另一方面也提高駕駛者駕駛安全性、舒適性及方便性。比方說：搭配駕駛者駕駛習性、身高與體重，運用位移傳感器與微閥控制，可以將座椅、后視鏡調(diào)整到駕駛者最舒適的狀態(tài)并加以紀錄，還能顧及到駕駛的最佳行車視野。

另外，還可運用影像、距離、超聲波或激光傳感器，再經(jīng)由顯示、警示等設備告知路面車行信息，以利駕駛者降低盲區(qū)及視野死角，保持最佳車距及便于路邊停車控制及倒車動作。

在乘坐舒適性方面，也可應用溫度、濕度、風量及日照等傳感器，可自動控制空調(diào)系統(tǒng)，在車內(nèi)維持舒適恒溫系統(tǒng)，及運用光度傳感器可使車燈亮度自動控制，還能運用雨滴及除霧傳感器可自動控制前、后擋風玻璃雨刷自動運作。

3.3自動檢測、自我維護 時時確保安全氣囊可靠性

安全氣囊運用微加速或微慣性傳感器來監(jiān)控及量測，它在關鍵時刻必須要能實時、正確地瞬間打開，以維護乘客安全，但在極大多數(shù)時間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài)，因此，安全氣囊的ECU 必須具有自動檢測、自我維護能力，不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性，確保氣囊在瞬間動作時能達到保護駕駛員的效果。

3.4車載計算機系統(tǒng)中的智能監(jiān)控應用

新的車載計算機系統(tǒng)(on-board computer)能夠?qū)ζ噷嵤┍O(jiān)控，就像是飛機上的飛行記錄器一樣。在實際安裝后，系統(tǒng)內(nèi)配備的加速感應器和回轉(zhuǎn)感應器，可以監(jiān)控汽車的速度、安全帶的使用狀況及由于汽車急轉(zhuǎn)彎、緊急剎車、行駛不穩(wěn)定、異常減速和不安全倒車等原因造成的超重力行駛，只要汽車在不安全狀態(tài)下行駛，例如：出現(xiàn)超速駕駛、超重力行駛、沒扣安全帶等狀況，記錄器便會向駕駛者發(fā)出警示聲響，如果駕駛者對警示置之不理，則警報便會一直重復下去，直到進入安全行駛狀態(tài)，可為駕駛者提供指導和預警等功能。

3.5促進燃料系統(tǒng)達到省油、低污染及高效能

一般來說，車用電子系統(tǒng)系是由各個電子控制單元所組成，不但具有自我操控能力，同時又有協(xié)調(diào)整合功能使車上各個子系統(tǒng)達到最佳工作效率。以燃料系統(tǒng)為例，為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，從運用流量傳感器量測吸入汽缸的空氣流量、壓力傳感器量測進氣壓力開始。

再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)(運用溫度傳感器)計算出基本噴油量，同時再通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工作狀態(tài)，進而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，另運用爆震感測監(jiān)測發(fā)動機的振動和燃燒噪聲等訊號，最終計算出并發(fā)出最佳點火時機的指令。

這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以結(jié)合氣體濃度傳感器來監(jiān)控系統(tǒng)廢氣排放，并與起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)成可使汽車發(fā)動機馬力和扭力最佳化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能型系統(tǒng)。

3.6自動監(jiān)控、調(diào)整及回饋訊息的車用感測產(chǎn)品

車上各式各樣功能組件都有其操控性、運動特性，對車用電子產(chǎn)品而言，絕大時期都處在復雜的行車環(huán)境中，而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時的高溫，靜止待命時的低溫，高濃度的油蒸汽和活性(毒性)氣體，及高速運動和高強度的沖擊和振動等。因此，車上的電子組件及電路必須兼具穩(wěn)定度、抗環(huán)境和自動調(diào)整、監(jiān)控及回饋故障碼的能力。

4.毫米波雷達、夜視感測系統(tǒng)納入行駛安全行列

在汽車儀表板上多了一個在電影里常看到的雷達屏幕，后方不斷有小光點閃爍;其實不然，車上訊息顯示方式和避免提供駕駛員過多不重要的訊息，也是設計上的重點。

所謂“車用雷達技術”，簡單地說，就是將一種非常高頻無線電波發(fā)送出去，再透過接收由前方車輛等反射回來的射出毫米波，來檢測車間距離及車輛位置，再加上算法來提高了毫米波的接收靈敏度。

一旦偵測范圍內(nèi)沒有物體，自然也沒什么反射訊號，如果偵測范圍內(nèi)有物體，反射訊號很強，雷達系統(tǒng)會量測其發(fā)送訊號到接收到反射訊號所需要的時間。物體越遠的話，發(fā)射和接收差距時間越長，用這種方式來計算物體的距離。

不過，以目前的成本結(jié)構(gòu)來看，雖然是比過去幾年便宜許多，但是離車廠的期望值來說仍舊有一段距離。根據(jù)車廠內(nèi)部人員表示，若毫米波雷達成本能下降，就會很容易普及，但這與目前的成本有相當大的一段差距，難度也是非常高的。

為解決夜間視線不佳問題，一般來說會以紅外線作為輔助光源，不過，由于目前價格還比較高，使得目前的夜視系統(tǒng)多半只局限在某些高級車種上。汽車所使用的夜視系統(tǒng)，大多為近紅外線和遠紅外線類型為主。

使用遠紅外的特點是：當遇到對向車輛的前照燈、信號燈及道路標識發(fā)生反射等情況時也不會晃眼，及在對向車輛也配備有遠紅外線夜視系統(tǒng)時也不會相互干擾。而與遠紅外影像傳感器相比，近紅外線的夜視系統(tǒng)能夠以較低成本完成。

5.功能化、模塊化、智能化、微型化將是車用傳感器發(fā)展新途徑

現(xiàn)在幾乎所有車體上的機械結(jié)構(gòu)及組件都已受到電子設備掌控，但因為車體內(nèi)可應用空間過于狹隘，構(gòu)件系統(tǒng)空間更是受到限制。因此，在一般的理想狀況下，電子控制單元應該會與受到控制組件緊密結(jié)合，而逐漸形成一個整體。因此，電路及組件的微型化、模塊化是必然趨勢，從工程的角度來看，將傳感器組件微型化有其優(yōu)點。

現(xiàn)代汽車上微機電技術發(fā)展的車用傳感器發(fā)展趨勢應朝多功能化、模塊化、智能化、微型化技術方向發(fā)展。

許多汽車廠商為了嚴格把關車上電子產(chǎn)品穩(wěn)定度及品質(zhì)，對其可靠度及信賴度要求極為嚴格;因此，諸多車用傳感器的重要關鍵主動組件已有固定供貨商提供，包括：Freescale、Infineon、STM、Renesas、Toshiba、NEC等一級供應鏈中的車用電子大廠。

若此時想切入該領域廠商，除必須要直接要面對到國際大廠競爭壓力外，廠商還必須克服的挑戰(zhàn)，包括：數(shù)字與模擬技術整合、車規(guī)于溫度、濕度、耐震、產(chǎn)品生命周期等標準要求，還有上述廠商所把持的專利屏障等，不論是設備品質(zhì)或技術等問題都邁入車用傳感器領域的一大挑戰(zhàn)。