微型传感器在汽车电子化、智能化工程中的应用

admin

　　一、引言

　　现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适、方便及无污染的方向发展。

　　要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大、成本高，它们在汽车的应用受到很大的限制。

　　近几年来，从半导体集成电路（IC）技术发展而来的微机电系统（microelectromechnical system， MEMS ）技术日渐成熟。微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1 mm2以下。随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。

　　二、汽车用传感器分类

　　汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称。它涉及到很多的物理量传感器和化学量传感器。这些传感器要么是使司机了解汽车各部分状态的；要么是用于控制汽车各部分状态的。按在汽车上的作用可分为控制发动机、控制底盘以及给驾驶员提供各种信息用传感器，构成这些传感器的材料有精细陶瓷、半导体材料、光导纤维及高分子薄膜等；按输出特性来分有模拟型传感器和数字型传感器；按构成原理来分，有结构型、韧性型和复合型。为方便起见，现按汽车传感器的控制对象来分类。

　　三、微型传感器在汽车中的应用

　　汽车上用的传感器的种类很多，应用的方面很广。下面介绍传感器在汽车发动机控制、安全系统、车辆监控和自诊断等方面的应用。

　　（一）汽车发动机控制用传感器

　　发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，供电子控制单元对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

　　1．温度传感器

　　汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好，但线性差、适应温度较低。其中，通用型的测温范围为-50℃～30℃，精度为1.5%，响应时间为10 ms；高温型为600℃～1000℃，精度为5%，响应时间为10ms；线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。其他已实用化的产品有铁氧体式温度传感器（测温范围为-40℃～120℃，精度为2.0%）、金属或半导体膜空气温度传感器（测温范围为-40℃～150℃，精度为2.0%，5%，响应时间约20 ms）等。

　　2．压力传感器

　　压力传感器是汽车中用得最多的传感器，主要用于检测气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。目前，致力于汽车用压力传感器开发和生产的主要公司有摩托罗拉，德科电子仪器，Lucas Novasensor， Hi Stat，NipponDenzo，西门子，德州仪器等。

　　比较常用的汽车压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围为20kPa～100kPa，其特点是输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好；压阻式压力传感器的性能则受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大批量生产；差动变压器式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；声表面波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨力高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作。

　　德国Infineon公司研制的智能轮胎压力传感器KP500内部集成了压力和温度传感模块，它不需要在传感器模块中增加加速度传感器，可以在汽车启动时自动开机进人自检，能测量压力、温度和电压等。所有的功能都是利用表面微机械加工技术集成在 0.8μm的双极互补金属氧化物半导体（ BiCMOS） 上。每个传感器模块中的电可擦可编程只读存储器中存储着惟一的32位芯片识别码。芯片识别码可以由同步串行接口读出，而且 ，可以用于辨识各个轮胎压力传感器的位置。在接收数据的时候，首先，要检查芯片识别码，如果发现芯片识别码不符，就放弃收到的数据帧。

　　4．位置和转速传感器

　　曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时，提供发动机转速信号。目前，汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围为0°～360°，精度优于±0.5°，测弯曲角达±0.1°。

　　车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围为0.5km/h～250km/h，重复精度为0.1%，距离测量误差优于为0.3%。

　　5．气体浓度传感器

　　气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排 放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含 量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出 反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。常用的有氧化锗 传感器（使用温度为-40℃～900℃，精度为1%）、氧化铬浓差电池型气体传感器（使用温度为300℃～800℃）、固体电解 质式氧化铬气体传感器（使用温度为0～400℃，精度为0.5%），另外，还有二氧化钦氧传感器以及二氧化错氧传感器。和氧化锗传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。二氧化锆微离子传感器由氧化钙稳定氧化错离子体、多孔铂厚膜工作电极、钯/氧化把厚膜参数电极、不透水层、电极接触和保护层构成。其中，氧化钙稳定氧化错由反应溅射法积淀。工作电极和参考电极都由厚膜工艺制作。在理想的A/F点附近的输出电压发生骤变，当空燃比变高，废气中的氧浓度增加时，氧传感器的输出电压减小；当空燃比变低，废气中的氧浓度降低时，氧传感器的输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号，对喷油量进行修正，从而相应地调节空燃比，使其在理想空燃比附近变动。

　　6．爆震传感器

　　爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，当发动机产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信号，并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃，频率范围为5kHz～10kHz；压电式爆震传感器在中心频率5. 417kHz处，其灵敏度可达200 mV/gn，在振幅为0.1-10 gn范围内具有良好线性度。

　　7．节气门位置传感器

　　节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，与节气门同轴转动。工作时，线形变位器的触点在电阻体上滑动，根据变化的电阻值，可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值，电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率，从而精确 判断发动机的运行工况，提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点，只有在节气门全闭时才闭合，产生怠速触点信号，主要用于怠速控制、断油控制及点火提前角的修正。

　　（二）安全系统方面用传感器

　　安全是汽车考虑的首要因素，用于安全方面的传感器也很多，如有用于汽车安全气囊的微型加速度计，测角速率的表面微机械陀螺等。

　　1．微加速度传感器

　　目前，安全气囊是而且将来也是MEMS技术的一个主要应用。所用的硅加速度计的量程一般为50gn。较早的如像摩托罗拉公司用体微细加工技术制作的硅加速度传感器。

　　瑞典Henrik等人报道了一种新型的硅微三轴加速度计，其外形结构参数为6mm×4mm× l.4 mm，它有4个敏感质量块，4个独立的信号读出电极和4个参考电极。它巧妙地利用了敏感梁在其厚度方向具有非常小的刚度而能够敏感加速度，在其他方向刚度相对很大而不能敏感加速度的结构特征。在加速度计的横截面上，由于各向异性腐蚀的结果，敏感梁的厚度方向与加速度计的法线方向（z轴）成35.26° （tan 35.26°＝ 0.707）。

　　2．表面微机械陀螺

　　传统的陀螺仪是由高速旋转的转子、内环、外环和基座组成，这种陀螺仪的内外环通常是用滚珠轴承支撑，这些通常是用机械加工方法制成，需要加工精度高、难度大、而且，做成的陀螺仪体积大、质量重。微机械陀螺是具有复杂的检测与控制电路的MEMS装置。Said Emre A1 per等人报道了一种结构对称，并具有解耦特性的表面微机械陀螺。该敏感结构在其最外边的4个角都设置了支承“锚”，与传统的直接支承在“锚”上的实现方式不同，它利用一种对称结构敏感质量块支承在连接梁上，并通过梁将驱动电极和敏感电极有机地连接在一起。用微器件仿真软件包（MEMCAD）仿真分析后可知，两个方向上的振动相互不影响，所以，这样的连接方式不用考虑机械耦合。

　　该微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm2，厚度仅为2μm。其工作原理是：当在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在活动叉指和固定叉指间施加适当的交流激励电压时，敏感质量块将在y轴方向上产生固有振动。当陀螺感受到绕z轴的角速度时，由于科氏效应，敏感质量块将产生沿x轴的附加振动。通过测量附加振动的振动幅值就可以得到被测的角速度。在常规的大气情况下，该敏感结构具有优于0.37°/s 的分辨力。

　　3．流量传感器

　　流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。空气流量传感器的功能：感知空气流量的大小，并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式、卡门涡旋式、热线式、热膜式等4种类型。空气流量传感器的主要技术指标：工作范围为 0.11m3/min～103m3/min，工作温度为-40℃～120℃，精度＞1%。燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循环球式，其动态范围为0～60kg/h，工作温度为-40℃～120℃，精度为±1%，响应时间＜10ms。

　　Honeywell的下属微开关（micro switch）公司用热微细加工技术制作出了微桥式空气流量传感器芯片，它用微细加工技术在硅圆片上加工出空腔，铂电阻悬挂在空腔之上。当空气流过器件时，发生了从空气流动方向下方到上方的热传输，因而，下方电阻被冷却，上方电阻被加热，由电桥电阻变化可测量出空气流量。

　　4．位置和转速传感器

　　曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时，提供发动机转速信号。目前，汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围为0°～360°，精度优于±0.5°，测弯曲角达±0.1°。

　　车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围为0.5km/h～250km/h，重复精度为0.1%，距离测量误差优于为0.3%。

　　5．气体浓度传感器

　　气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排 放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含 量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出 反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。常用的有氧化锗 传感器（使用温度为-40℃～900℃，精度为1%）、氧化铬浓差电池型气体传感器（使用温度为300℃～800℃）、固体电解 质式氧化铬气体传感器（使用温度为0～400℃，精度为0.5%），另外，还有二氧化钦氧传感器以及二氧化错氧传感器。和氧化锗传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。二氧化锆微离子传感器由氧化钙稳定氧化错离子体、多孔铂厚膜工作电极、钯/氧化把厚膜参数电极、不透水层、电极接触和保护层构成。其中，氧化钙稳定氧化错由反应溅射法积淀。工作电极和参考电极都由厚膜工艺制作。在理想的A/F点附近的输出电压发生骤变，当空燃比变高，废气中的氧浓度增加时，氧传感器的输出电压减小；当空燃比变低，废气中的氧浓度降低时，氧传感器的输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号，对喷油量进行修正，从而相应地调节空燃比，使其在理想空燃比附近变动。

　　6．爆震传感器

　　爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，当发动机产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信号，并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃，频率范围为5kHz～10kHz；压电式爆震传感器在中心频率5. 417kHz处，其灵敏度可达200 mV/gn，在振幅为0.1-10 gn范围内具有良好线性度。

　　7．节气门位置传感器

　　节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，与节气门同轴转动。工作时，线形变位器的触点在电阻体上滑动，根据变化的电阻值，可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值，电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率，从而精确 判断发动机的运行工况，提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点，只有在节气门全闭时才闭合，产生怠速触点信号，主要用于怠速控制、断油控制及点火提前角的修正。

　　（二）安全系统方面用传感器

　　安全是汽车考虑的首要因素，用于安全方面的传感器也很多，如有用于汽车安全气囊的微型加速度计，测角速率的表面微机械陀螺等。

　　1．微加速度传感器

　　目前，安全气囊是而且将来也是MEMS技术的一个主要应用。所用的硅加速度计的量程一般为50gn。较早的如像摩托罗拉公司用体微细加工技术制作的硅加速度传感器。

　　瑞典Henrik等人报道了一种新型的硅微三轴加速度计，其外形结构参数为6mm×4mm× l.4 mm，它有4个敏感质量块，4个独立的信号读出电极和4个参考电极。它巧妙地利用了敏感梁在其厚度方向具有非常小的刚度而能够敏感加速度，在其他方向刚度相对很大而不能敏感加速度的结构特征。在加速度计的横截面上，由于各向异性腐蚀的结果，敏感梁的厚度方向与加速度计的法线方向（z轴）成35.26° （tan 35.26°＝ 0.707）。

　　2．表面微机械陀螺

　　传统的陀螺仪是由高速旋转的转子、内环、外环和基座组成，这种陀螺仪的内外环通常是用滚珠轴承支撑，这些通常是用机械加工方法制成，需要加工精度高、难度大、而且，做成的陀螺仪体积大、质量重。微机械陀螺是具有复杂的检测与控制电路的MEMS装置。Said Emre A1 per等人报道了一种结构对称，并具有解耦特性的表面微机械陀螺。该敏感结构在其最外边的4个角都设置了支承“锚”，与传统的直接支承在“锚”上的实现方式不同，它利用一种对称结构敏感质量块支承在连接梁上，并通过梁将驱动电极和敏感电极有机地连接在一起。用微器件仿真软件包（MEMCAD）仿真分析后可知，两个方向上的振动相互不影响，所以，这样的连接方式不用考虑机械耦合。

　　该微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm2，厚度仅为2μm。其工作原理是：当在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在活动叉指和固定叉指间施加适当的交流激励电压时，敏感质量块将在y轴方向上产生固有振动。当陀螺感受到绕z轴的角速度时，由于科氏效应，敏感质量块将产生沿x轴的附加振动。通过测量附加振动的振动幅值就可以得到被测的角速度。在常规的大气情况下，该敏感结构具有优于0.37°/s 的分辨力。

　　（三）车辆监控和自诊断用传感器

　　在车辆监控和自诊断方面，MEMS技术的一个主要应用将是轮胎压力监测；其次是应用于冷却、刹车等系统的传感器。此外，还有如像在亮度控制系统中使用光传感器；在电子驾驶系统中使用磁传感器、气流速度传感器；在自动空调系统中使用室内温度传感器、吸气温度传感器、风量传感器、日照传感器、湿度传感器；在导向行驶系统中使用方位传感器、车速传感器等。

　　（四）高温微电子在汽车中的应用

　　高温微电子在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和刹车、动力管理及分配等方面的监控中都起着非常重要的作用。例如：用于发动机控制的高温微电子传感器和控制器将有助于燃烧的更好监测和控制，它将使燃烧的更加彻底，提高燃烧效率。但是，用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，已不能胜任。为了解决在高温环境下温度测量问题，必须研制一种新的材料来取代传统的半导体材料。第三代宽能带半导体材料Sic 具有高击穿电场、高饱和电子漂移速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点，特别适合制作高温、高压、高功率、耐辐照等半导体器件。集成的sic传感器可以直接与高温油箱和排气管接触，这样，能进一步获得有关燃料燃烧效率和减少废气排放的更多信息。研究表明：一旦sic半导体技术能解决好材料、封装等技术而得到进一步的发展，SIC功率器件的工作范围将超过传统的硅功率器件，而且，其体积比Si功率器件也要小。

　　四、结束语

　　由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。

　　基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。随着纳米技术的进步，体积更小、造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在汽车的各个方面。在未来几年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、刹车防抱死系统、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。