現(xiàn)代汽車傳感技術的發(fā)展商機
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智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，他具有很多特點。例如，他可以確定傳感器工作狀態(tài)，對測量資料進行修正，以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差；用軟件解決硬件難以解決的問題；完成資料計算與處理工作等等。世界各國都在車用傳感器硬件的基礎上，努力用軟件來解決汽車電氣干擾大、環(huán)境差(溫度高、溫度梯度大、污染厲害等)等問題造成的對汽車參數(shù)測量的影響。而且智能式傳感器精度高、量程覆蓋范圍大、輸出信號大、信噪比高、抗干擾性能好，有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進行研制與開發(fā)，并取得成功并加以應用。
我國現(xiàn)有汽車2000萬輛，并且每年以5%以上的速度遞增，但是目前電噴汽車還只占10%左右，國家規(guī)定停止化油器汽車的生產，新出廠的汽車要求全部安裝“電噴”系統(tǒng)。上海聯(lián)合汽車電子現(xiàn)在年產120萬套電噴系統(tǒng)傳感器，約4000～6000元/套，其中，汽車傳感器占60%以上的產值。國內電噴系統(tǒng)應用傳感器占系統(tǒng)的70%以上，ABS傳感器的成本為50元左右，國內產量為100萬套，產值為5000萬元；安全氣囊的傳感器占系統(tǒng)成本的70%以上，安全氣囊的傳感器售價為2000元左右，需求量為100萬套/年，則傳感器的產值可達20億元。
在20世紀60年代，汽車上僅有機油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器，它們與儀表或指示燈連接。進入70年代后，為了治理排放，又增加了一些傳感器來幫助控制汽車的動力系統(tǒng)，因為同期出現(xiàn)的催化轉換器、電子點火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放。80年代，防抱死制動裝置和氣囊提高了汽車安全性。自20世紀80年代以來，國內汽車儀表行業(yè)引進國外的先進技術及與之相配套的傳感器生產技術，基本滿足了國內小批量、低水平車型的配套需求。眾多轎車、輕型車及部分載貨車中采用新的電子產品，需要大批量、高水平的汽車傳感器，但國內現(xiàn)有最高水平的汽車傳感器產品比國外同類產品落后10多年，每年要進口50萬套以上的高性能汽車傳感器。許多傳感器廠家為了增強產品的競爭力，采用與國外同行業(yè)進行合資經營的方式，消化吸收國外先進的傳感器技術，使產品升級換代，從而逐步發(fā)展壯大，有的已成為幾大“電噴”系統(tǒng)廠家的下游供應商。但絕大多數(shù)企業(yè)還只是配套生產其它車用傳感器，處于利潤少、產品單一、產品質量和技術水平低下的狀況。而伴隨著國內汽車產量的迅速增長，今后幾年國內汽車工業(yè)對傳感器及其配套變送器和儀表的需求亦將大大增加。實現(xiàn)汽車傳感器的國產化勢在必行。為適應這一形勢，應重點開發(fā)新型壓力、溫度、流量、位移等傳感器，盡快為汽車工業(yè)解決電噴系統(tǒng)、空調排污系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)所需的傳感器是十分迫切的任務。汽車傳感器對整車廠而言，是二級配套產品，必須以系統(tǒng)形式進入整車廠配套。一級系統(tǒng)配套商的實力關系到主機廠的品牌，所以必須建立系統(tǒng)平臺，以系統(tǒng)帶動傳感器的發(fā)展。
微型傳感器利用微機械加工技術，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、價格便宜、便于集成等特點，可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。當前，該技術逐步成熟，可以制作檢測力學量、磁學量、熱學量等各種微型傳感器。微型傳感器的大規(guī)模應用將不僅限于發(fā)動機燃燒控制和安全氣囊，在未來幾年內，包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、ABS、車輛動力的控制、自適應導航、車輛行駛安全系統(tǒng)在內的應用，將為MEMS技術提供廣闊的市場。
在動力系統(tǒng)中，有用來測定各種流體溫度和壓力(如進氣溫度、氣道壓力、冷卻水溫和燃油噴射壓力等)的傳感器；有用來確定各部分速度和位置的傳感器(如車速、節(jié)氣門開度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環(huán)閥(EGR)的位置等)；還有用于測量發(fā)動機負荷、爆震、斷火及廢氣中含氧量的傳感器；確定座椅位置的傳感器；在防抱死制動系統(tǒng)和懸架控制裝置中測定車輪轉速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器；保護前排乘員的氣囊，不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器，還需要乘員位置、體重等傳感器來保證其及時和準確的工作。面對制造商提供的側量、頂置式氣囊以及更精巧的側置頭部氣囊，還要增加傳感器。
近年來從半導體集成電路技術發(fā)展而來的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)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，單件成本低，易構成大規(guī)模和多功能陣列，非常適合在汽車上應用。
市場研究數(shù)據(jù)顯示，2002年全球汽車傳感器的市場規(guī)模為70.1億美元，預計到2005年將達到85.2億美元，年平均增長率為6.7%；全球2002年汽車傳感器的市場需求量為10.38億只，預計到2005年將達到12.83億只，年平均增長率為7.3%。和全球范圍傳感器產業(yè)相比，國內汽車傳感器尚未形成獨立的產業(yè)，仍然依附于汽車儀表企業(yè)。我國的汽車工業(yè)發(fā)展加快，估計2010年將達600萬輛的生產能力，若每輛車用10只傳感器，將需6000萬套傳感器及其配套變送器和儀表。
汽車傳感器技術的發(fā)展方向是開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，采用新原理，開發(fā)新材料，采用新工藝；擴大傳感器的功能與應用范圍。開發(fā)新材料是發(fā)展汽車傳感器技術的一個重要方向。由于材料科學的進步，在制造各種材料時，人們可以任意控制其成分，從而可以設計與制造出各種用于傳感器的功能材料，例如控制半導體氧化物的成分；可以制造出各種氣體傳感器；光導纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個重大發(fā)現(xiàn)；有機材料作為功能材料，正引起國內外汽車電子化專家的極大關注。
近年來，汽車用傳感器技術發(fā)展迅速，趨勢是實現(xiàn)多功能化、集成化和智能化。多功能是指一個傳感器能檢測兩個或兩個以上參數(shù)；集成化是直接利用半導體特性制成單片集成電路傳感器，或是將分立的小型傳感器制作在硅片上，例如集成化溫度、壓力傳感器及霍爾電路等；智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路結合，成為帶有專用微型計算機的傳感器。敏感元件的種類也越來越多，按敏感元件工作原理的不同，傳感器大致可分為四大類:電阻型，電磁感應型和霍爾效應型， 光敏晶體型等。隨著研究人員用防撞傳感器(測距雷達或其他測距傳感器)來判斷和控制汽車的側向加速度、每個車輪的瞬時速度及所需的轉矩，使制動系統(tǒng)成為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的一個組成部分?？傊鲜降挠蛪簜鞲衅骱退疁貍鞲衅魇潜舜霜毩⒌?，由于有著明確的最大值或最小值的限定，其中一些傳感器的實際作用就相當于開關。隨著傳感器向電子化和數(shù)字化方向發(fā)展，它們的輸出值將得到更多的相關利用。為此，制造商們正在開發(fā)和生產更好的傳感器。
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)。這個系統(tǒng)能夠通過檢測離子來監(jiān)控發(fā)動機每個氣缸的燃燒情況。當可燃混合氣持續(xù)燃燒時，在燃燒峰面附近就會發(fā)生電離現(xiàn)象。把一個帶偏壓的測頭放入氣缸，就可以測出與電離狀況相關的離子流。這個能反映發(fā)動機各種燃燒狀況的信息控制系統(tǒng)由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點火線圈及一套處理離子流信號的電子模塊構成，它可以判別每個缸的點火、燃燒及爆震情況。進一步的功能將是對發(fā)動機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缸的空燃比。
快速起動的氧傳感器:冷車運轉時的發(fā)動機所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動進入閉環(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內達到閉環(huán)控制。通過縮小加熱區(qū)和降低阻抗，改進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。
側滑傳感器: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組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設置、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個經過顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應著所測加速度方向的基準面，對應于某個基準面的獨立信號就能測出相應的作用力。而很高的品質因數(shù)Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進行。
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構，其諧振部分是一個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)轉換器和同步解調器構成。C—V轉換器是一個轉換電容的比較器(ASIC)。當測量范圍在±200°/s時，非線性為±1%。
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油、液壓系統(tǒng)、汽油以及空調制冷劑的壓力，如制動器的液壓控制系統(tǒng)、怠速下的空調機壓縮器和動力轉向泵、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，實現(xiàn)了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設計。包括壓力感應元件和放大電路在內的所有元件都集中在一塊芯片上。
機油粘度傳感器:何時更換機油一般是根據(jù)廠家規(guī)定的時間或里程來進行。少數(shù)廠家采用了更先進的方式，通過記錄發(fā)動機轉速和溫度來計算換油間隔。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相近--振子(球型、片狀或棒式)在受到粘滯阻尼時其振頻會發(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的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度(準確地說應是粘度和密度的綜合值)?？梢?，振動式粘度計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生畸變而導致測試值與液體的對應關系較差。
粘度傳感器設置了一種界面來改善傳感元件與液體之間的接觸關系，傳感器的核心是一個壓電轉換器，在它兩側施加電壓時，就會產生切向運動。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生的交變電壓來確定傳感元件的諧振頻率。因為在諧振時，傳感元件的電阻達到最大值，隨著液體粘度的變化，這個蜂值也相應變化，并通過峰值檢測電路轉化為電壓信號。絕緣層的厚度根據(jù)所測粘度的范圍來確定，因為從液體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波長。
磁敏式速度傳感器:SST技術有限公司開發(fā)了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻(GMR)材料與半導體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點是隨磁場的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導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節(jié)器所構成。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構，通過電平轉換輸出一個方波形脈沖信號，其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉頻率是相同的，而勵磁機構是一塊永久磁鐵。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構，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉頻率相同的特點。在允許溫度和工作頻率范圍內，其頻寬比為(50±10)%，輪齒模數(shù)2.5時，氣隙特性可達3mm。
據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2002年全球汽車傳感器的市場規(guī)模為70.1億美元，預計到2005年將達到85.2億美元，年平均增長率為6.7％；全球2002年汽車傳感器的市場需求量為10.38億只，預計到2005年將達到12.83億只，年平均增長率為7.3％。和全球范圍傳感器產業(yè)相比，國內汽車傳感器尚未形成獨立的產業(yè)，仍然依附于汽車儀表企業(yè)。自20世紀80年代以來，國內汽車儀表行業(yè)引進國外的先進技術及與之相配套的傳感器生產技術，基本滿足了國內小批量、低水平車型的配套需求。眾多轎車、輕型車及部分載貨車中采用新的電子產品，需要大批量、高水平的汽車傳感器，但國內現(xiàn)有最高水平的汽車傳感器產品比國外同類產品落后10多年，每年要進口50萬套以上的高性能汽車傳感器。而伴隨著國內汽車產量的迅速增長，今后幾年國內汽車工業(yè)對傳感器及其配套變送器和儀表的需求亦將大大增加。實現(xiàn)汽車傳感器的國產化勢在必行。
汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。汽車傳感器對溫度、壓力、位置、轉速、加速度和振動等各種信息進行實時、準確的測量和控制。衡量現(xiàn)代高級轎車控制系統(tǒng)水平的關鍵就在于其傳感器的數(shù)量和水平。今天的汽車，傳感器已是無處不在。一輛國內普通家用轎車上大約安裝了近百個傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量多達200只。未來汽車傳感器技術總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。
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