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年內包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、ABS(antilock 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。總而言之，汽車部件是“軍品的質量，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構。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 Solutions(ISS)/Texas Instruments。質量流量傳感器通常是用分立的熱線構成的，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成，提供經(jīng)過調理的信號。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理電路。

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锰峁┝撕芎玫臋C會。

從1995年S級Mercedes轎車開始，硅基壓力傳感器已用于檢測主制動器氣缸的壓力。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用于車輛動力學控制中。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公司的表面微機械陀螺或Systron

  Donner和Matsushita的音叉式陀螺等角速率傳感器的單個售價為25美元，其應用僅限于高級轎車，如Mercedes(S級)、BMW、Cadillac。多家著名的汽車及配件供應商正在致力于設計性價比更高的系統(tǒng)。更廉價的基于MEMS技術的角速率傳感器將有助于這些系統(tǒng)在價格更低的汽車中應用。

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

汽車空調壓縮機中的壓力測量為MEMS技術提供了很好的機會。目前所使用的是其他技術(如TI的陶瓷電容壓力傳感器）。但很多MEMS技術公司正積極開發(fā)相應的微型傳感器，以爭奪這一很大的市場。

發(fā)動機的電子控制一直被認為是MEMS技術在汽車中的主要應用領域之一。Delco, Motorola和Bosch公司生產(chǎn)了數(shù)以百萬計的多路壓力傳感器。這些器件測量出的多路進氣壓力可以用來計算空氣/燃料比。人們正在嘗試用空氣質量流量(mass airflow）傳感器代替這類器件。目前市場上出售的產(chǎn)品采用了分立的熱線式風速測量方法，它們的體積大、價格高。Bosch公司1995年引入了一種基于薄膜技術的新型質量流量傳感器?，F(xiàn)在許多組織正在對已經(jīng)微型化的這種傳感器進行評估。除了多路壓力和質量流量參數(shù)外，發(fā)動機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技術將在這些應用中發(fā)揮越來越重要的作用。

氣缸壓力測量對于優(yōu)化發(fā)動機性能來說十分關鍵。由于氣缸內的溫度很高，壓電和光纖技術較為實用，不過它們昂貴的價格限制了其應用。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。無級可調傳動系統(tǒng)需要測量液壓油的壓力。在這一方面，通過各種方法與工作介質隔離開來的微型壓力傳感器將有廣闊的應用前景。Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions (最近為TI收購)和 SSI Technologies公司正開發(fā)用于這類應用的微型傳感器。它們都集成有通過EEPROM編程的硅基CMOS ASIC混合電路。

在這一方面，MEMS技術的一個主要應用將是輪胎壓力監(jiān)測。無論從安全行車還是從節(jié)省燃油的角度來看，有必要保持適當?shù)妮喬コ錃鉅顟B(tài)。目前已有不少實時胎壓監(jiān)測系統(tǒng)?；贛EMS技術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。美國克林頓政府已制定了一項法令，要求到2004年美國境內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巨大的市場，Lucas NovaSensor, Motorola和 Sensonor等廠商正積極爭奪這一市場。

發(fā)動機油的監(jiān)測也為MEMS技術提供了一個重要的應用機會。這些系統(tǒng)應用的最大障礙是其價格。這類微型壓力傳感器必須能夠在溫度很高的發(fā)動機油中正常工作，其硅制敏感芯片部分必須與工作介質隔離開。帶有全部信號調理電路并封裝好的傳感器的價格應在5～7美元之間。壓力傳感器還可以應用于監(jiān)控易揮發(fā)燃油油箱中的蒸氣壓，以確保無燃油蒸氣泄漏。

在不久的將來，汽車方面的應用將繼續(xù)構成MEMS技術的一個重要市場。如今傳統(tǒng)的多路絕對壓力傳感器和氣囊加速度計幾乎已經(jīng)完全被微型化的傳感器所替代。在輪速測量、冷卻系統(tǒng)壓力、發(fā)動機油壓力和剎車壓力測量方面，人們正在考慮或已經(jīng)開始用基于MEMS技術的傳感器來取代已有的產(chǎn)品。此外，人們還在考慮在許多新開發(fā)的系統(tǒng)中采用微型傳感器。價格、可靠性和體積等方面的優(yōu)勢將使微型傳感器成為汽車中各種參數(shù)測量的首選產(chǎn)品。目前這些優(yōu)勢已為實踐所證實。汽車用微型傳感器已受到科研機構及廠商的高度重視，可以預言，未來5～7年其研制、生產(chǎn)與應用將獲得高速增長。