智能傳感器在現代汽車電子中的應用

現代汽車電子從所應用的電子元器件到車內電子系統(tǒng)的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器。

一、汽車電子操控和安全系統(tǒng)談起

近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速，發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現了一些專家的預測：汽車工業(yè)有可能超過IT產業(yè)，成為中國國民經濟最重要的支柱產業(yè)之一。其實，汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產業(yè)相關的IT產業(yè)的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產品中電子產品和技術的價值含量只占10%—15%左右，但國外汽車中電子產品和技術的價值含量平均約為22%，中、高檔轎車中汽車電子已占30%以上，而且這個比例還在、不斷地快速增長，預期很快將達到50%。

電子信息技術已經成為新一代汽車發(fā)展方向的主導因素，汽車（機動車）的動力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個方面的改進和提高，都將依賴于機械系統(tǒng)及結構和電子產品、信息技術間的完美結合。汽車工程界專家指出：電子技術的發(fā)展已使汽車產品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產業(yè)界對汽車電子空前關注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內音響、視頻裝備，車用通信、導航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)等車內電子設備的本質改變較少外，現代汽車電子從所應用的電子元器件（包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等）到車內電子系統(tǒng)的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器（智能執(zhí)行器、智能變送器）。

實際上，汽車電子已經經歷了幾個發(fā)展階段：從分立電子元器件搭建的電路監(jiān)測控制，經過了電子元器件或組件加微處理器構筑的各自獨立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng)，現在已經進入了采用高速總線（目前至少有5種以上總線已開發(fā)使用），統(tǒng)一交換汽車運行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數據，實現綜合、智能調控的新階段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個電子控制單元（ECU）組成，可以獨立操控，同時又能協(xié)調到整體運行的最佳狀態(tài)。

例如為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開始，再根據水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數計算出基本噴油量，同時還要通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工況，進而控制，調整最佳噴油量，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉角和發(fā)動機轉速，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)還可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合，構筑成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩最大化，而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統(tǒng)。

還可以舉一個安全駕駛方面的例子，出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置（ABS）外，許多轎車，包括國產車，已增設了電子動力分配系統(tǒng)（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性。

現在，國內外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)（EBA），該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要，就會自動增大制動力。EBA的自控動作必須在極短時間（例如百萬分之一秒級）內完成。這個系統(tǒng)能使200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”（ETC）系統(tǒng)等。

從以上列舉的兩個例子可以清楚看到，汽車發(fā)展對汽車電子的一些基本要求：

1．電子操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器（+調理電路）+微處理器，然后再通過微處理器（+功率放大電路）+執(zhí)行器的技術途徑已經不再能滿足現代汽車的要求，需要通過硬件集成、直接交換數據和簡化電路，并提高智能化程度來確?？刂茊卧獎幼鞯恼_性、可靠性和適時性。

2．現在幾乎所有的汽車的機械結構部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內的空間有限，構件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制部件緊密結合，形成一個整體。因此器件和電路的微型化、集成化是不可回避的道路。

3．電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安全氣囊為例，它在關鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開，但在極大多數時間內氣囊是處在待命狀態(tài)，因此安全氣囊的ECU必須具有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性，確保動作的“萬無一失”。

4．汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性，并且，對電子產品而言，大多處于非常惡劣的運行環(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，以及高速運動和高強度的沖擊和振動等。因此，電子元器件和電路必須要有高穩(wěn)定、抗環(huán)境和自適應、自補償調整的能力。

5．與上述要求同樣重要，甚至有時是關鍵性的條件是，汽車電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)模工業(yè)生產，并能將成本降低到可接受的程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。例如智能加速度傳感器，它不僅能較好地滿足現代汽車的各項需要，而且因為可以在集成電路標準硅工藝線上批量生產，生產成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車工業(yè)中找到了自己最大的應用市場，反過來也有力地促進了汽車工業(yè)的電子信息化。



二、智能傳感器：微傳感器與集成電路融合的新一代電子器件

微傳感器、智能傳感器是近幾年才開始迅速發(fā)展起來的新興技術。在我國的報刊雜志上目前所使用的技術名稱還比較含混，仍然籠統(tǒng)地稱之為傳感器，或者含糊地歸納為汽車半導體器件，也有將智能傳感器（或智能執(zhí)行器、智能變送器）與微系統(tǒng)、MEMS等都歸入了MEMS（微機電系統(tǒng)）名稱下的。這里介紹當前一些歐美專著中常用的技術名詞的定義和技術內涵。

首先必須說明的是，在絕大多數情況下，本文大小標題及全文中所說的傳感器其實是泛指了三大類器件：將非電學輸入參量轉換成電磁學信號輸出的傳感器；將電學信號轉換成非電學參量輸出的執(zhí)行器；以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器，其中較多的是將一種電磁學參量形式轉變成另一種電磁學參量形態(tài)輸出的變送器。就是說，關于微傳感器、智能傳感器的技術特性可以擴大類推到微執(zhí)行器、微變送器-傳感器（或執(zhí)行器、或變送器）的物理尺度中至少有一個物理尺寸等于或小于亞毫米量級的。

微傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的物理縮小的產物，而是基于半導體工藝技術的新一代器件：應用新的工作機制和物化效應，采用與標準半導體工藝兼容的材料，用微細加工技術制備的。因此有時也稱為硅傳感器。可以用類似的定義和技術特征類推描述微執(zhí)行器和微變送器。