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微型傳感器在汽車電子化、智能化工程中的應用

日期:2008-04-28  來源:機經網    點擊:

一、引言
  現代汽車正由一個單純交通工具朝著能滿足人類需求和安全、舒適、方便及無污染的方向發展。
  要實現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。
  近幾年來,從半導體集成電路(IC)技術發展而來的微機電系統(microelectromechnical system, MEMS )技術日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實用性的微型機電器件,主要包括利用微型膜片的機械形變產生電信號輸出的微型壓力傳感器和微型加速度傳感器;此外,還有微型溫度傳感器、磁場傳感器、氣體傳感器等,這些微型傳感器的面積大多在1 mm2以下。隨著微電子加工技術,特別是納米加工技術的進一步發展,傳感器技術還將從微型傳感器進化到納米傳感器。這些微型傳感器體積小,可實現許多全新的功能,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。
  二、汽車用傳感器分類
  汽車用傳感器是用于汽車顯示和電控系統的各種傳感器的統稱。它涉及到很多的物理量傳感器和化學量傳感器。這些傳感器要么是使司機了解汽車各部分狀態的;要么是用于控制汽車各部分狀態的。按在汽車上的作用可分為控制發動機、控制底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器,構成這些傳感器的材料有精細陶瓷、半導體材料、光導纖維及高分子薄膜等;按輸出特性來分有模擬型傳感器和數字型傳感器;按構成原理來分,有結構型、韌性型和復合型。為方便起見,現按汽車傳感器的控制對象來分類。
  三、微型傳感器在汽車中的應用
  汽車上用的傳感器的種類很多,應用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車發動機控制、安全系統、車輛監控和自診斷等方面的應用。
  (一)汽車發動機控制用傳感器
  發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。發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器的核心,種類很多,包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發動機的電子控制單元提供發動機的工作狀況信息,供電子控制單元對發動機工作狀況進行精確控制,以提高發動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。
  1.溫度傳感器
  汽車用溫度傳感器主要用于檢測發動機溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特點,其應用場合也略有區別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應特性較好,但線性差、適應溫度較低。其中,通用型的測溫范圍為-50℃~30℃,精度為1.5%,響應時間為10 ms;高溫型為600℃~1000℃,精度為5%,響應時間為10ms;線繞電阻式溫度傳感器的精度高,但響應特性差;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高,測量溫度范圍寬,但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實用化的產品有鐵氧體式溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~120℃,精度為2.0%)、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~150℃,精度為2.0%,5%,響應時間約20 ms)等。
  2.壓力傳感器
  壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器,主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統流體壓力、注入燃料壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統的流體壓力等。目前,致力于汽車用壓力傳感器開發和生產的主要公司有摩托羅拉,德科電子儀器,Lucas Novasensor, Hi Stat,NipponDenzo,西門子,德州儀器等。
  比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓,測量范圍為20kPa~100kPa,其特點是輸入能量高,動態響應特性好、環境適應性好;壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大,需要另設溫度補償電路,但適應于大批量生產;差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出,易于數字輸出,但抗干擾性差;聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數字輸出等特點,用于汽車吸氣閥壓力檢測,能在高溫下穩定地工作。
  德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500內部集成了壓力和溫度傳感模塊,它不需要在傳感器模塊中增加加速度傳感器,可以在汽車啟動時自動開機進人自檢,能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機械加工技術集成在 0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導體( BiCMOS) 上。每個傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲器中存儲著惟一的32位芯片識別碼。芯片識別碼可以由同步串行接口讀出,而且 ,可以用于辨識各個輪胎壓力傳感器的位置。在接收數據的時候,首先,要檢查芯片識別碼,如果發現芯片識別碼不符,就放棄收到的數據幀。

3.流量傳感器
  流量傳感器主要用于發動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數之一。空氣流量傳感器的功能:感知空氣流量的大小,并轉換成電信號傳輸給發動機的電子控制單元。空氣流量的測量用于發動機控制系統確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量傳感器有旋轉翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型。空氣流量傳感器的主要技術指標:工作范圍為 0.11m3/min~103m3/min,工作溫度為-40℃~120℃,精度>1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量,主要有水輪式和循環球式,其動態范圍為0~60kg/h,工作溫度為-40℃~120℃,精度為±1%,響應時間<10ms。
  Honeywell的下屬微開關(micro switch)公司用熱微細加工技術制作出了微橋式空氣流量傳感器芯片,它用微細加工技術在硅圓片上加工出空腔,鉑電阻懸掛在空腔之上。當空氣流過器件時,發生了從空氣流動方向下方到上方的熱傳輸,因而,下方電阻被冷卻,上方電阻被加熱,由電橋電阻變化可測量出空氣流量。
  4.位置和轉速傳感器
  曲軸位置與轉速傳感器主要用于檢測發動機曲軸轉角、發動機轉速、節氣門的開度、車速等,為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號,同時,提供發動機轉速信號。目前,汽車使用的位置和轉速傳感器主要有交流發電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開關式、光學式、半導體磁性晶體管式等,其測量范圍為0°~360°,精度優于±0.5°,測彎曲角達±0.1°。
  車速傳感器種類繁多,有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的,還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高于100km/h時,一般測量方法誤差較大,需采用非接觸式光電速度傳感器,測速范圍為0.5km/h~250km/h,重復精度為0.1%,距離測量誤差優于為0.3%。
  5.氣體濃度傳感器
  氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內氣體和廢氣排  放。其中,最主要的是氧傳感器,它檢測汽車尾氣中的氧含  量,根據排氣中的氧濃度測定空燃比,向微機控制裝置發出  反饋信號,以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺  傳感器(使用溫度為-40℃~900℃,精度為1%)、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器(使用溫度為300℃~800℃)、固體電解  質式氧化鉻氣體傳感器(使用溫度為0~400℃,精度為0.5%),另外,還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比,二氧化鈦氧傳感器具有結構簡單、輕巧、便宜,且抗鉛污染能力強的特點。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩定氧化錯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數電極、不透水層、電極接觸和保護層構成。其中,氧化鈣穩定氧化錯由反應濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝制作。在理想的A/F點附近的輸出電壓發生驟變,當空燃比變高,廢氣中的氧濃度增加時,氧傳感器的輸出電壓減小;當空燃比變低,廢氣中的氧濃度降低時,氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號,對噴油量進行修正,從而相應地調節空燃比,使其在理想空燃比附近變動。
  6.爆震傳感器
  爆震傳感器用于檢測發動機的振動,通過調整點火提前角控制和避免發動機發生爆震。為了最大限度地發揮發動機功率而不產生爆燃,點火提前角應控制在爆燃產生的臨界值,當發動機產生爆燃時,傳感器將爆燃引起的震動轉變成電信號,并傳給電子控制單元。檢測爆震有檢測氣缸壓力、發動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃~125℃,頻率范圍為5kHz~10kHz;壓電式爆震傳感器在中心頻率5. 417kHz處,其靈敏度可達200 mV/gn,在振幅為0.1-10 gn范圍內具有良好線性度。
  7.節氣門位置傳感器
  節氣門位置傳感器安裝在節氣門上,其功能是將發動機節氣門的開度信號轉變成電信號,并傳遞給電子控制單元,用以感知發動機的負荷大小和加減速工況。最常用的是可變電阻式節氣門位置傳感器。該傳感器是一種典型的節氣門傳感器,主要由一個線形變位器和一個怠速觸點兩部分組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成,滑動觸點用復位彈簧控制,與節氣門同軸轉動。工作時,線形變位器的觸點在電阻體上滑動,根據變化的電阻值,可以測得與節氣門開度成正比的線性輸出電壓信號。根據輸出電壓值,電子控制單元可獲知節氣門的開度和開度變化率,從而精確  判斷發動機的運行工況,提高控制精度和效果。怠速信號滑動觸點是常開觸點,只有在節氣門全閉時才閉合,產生怠速觸點信號,主要用于怠速控制、斷油控制及點火提前角的修正。

(二)安全系統方面用傳感器
  安全是汽車考慮的首要因素,用于安全方面的傳感器也很多,如有用于汽車安全氣囊的微型加速度計,測角速率的表面微機械陀螺等。
  1.微加速度傳感器
  目前,安全氣囊是而且將來也是MEMS技術的一個主要應用。所用的硅加速度計的量程一般為50gn。較早的如像摩托羅拉公司用體微細加工技術制作的硅加速度傳感器。
  瑞典Henrik等人報道了一種新型的硅微三軸加速度計,其外形結構參數為6mm×4mm× l.4 mm,它有4個敏感質量塊,4個獨立的信號讀出電極和4個參考電極。它巧妙地利用了敏感梁在其厚度方向具有非常小的剛度而能夠敏感加速度,在其他方向剛度相對很大而不能敏感加速度的結構特征。在加速度計的橫截面上,由于各向異性腐蝕的結果,敏感梁的厚度方向與加速度計的法線方向(z軸)成35.26° (tan 35.26°= 0.707)。
  2.表面微機械陀螺
  傳統的陀螺儀是由高速旋轉的轉子、內環、外環和基座組成,這種陀螺儀的內外環通常是用滾珠軸承支撐,這些通常是用機械加工方法制成,需要加工精度高、難度大、而且,做成的陀螺儀體積大、質量重。微機械陀螺是具有復雜的檢測與控制電路的MEMS裝置。Said Emre A1 per等人報道了一種結構對稱,并具有解耦特性的表面微機械陀螺。該敏感結構在其最外邊的4個角都設置了支承“錨”,與傳統的直接支承在“錨”上的實現方式不同,它利用一種對稱結構敏感質量塊支承在連接梁上,并通過梁將驅動電極和敏感電極有機地連接在一起。用微器件仿真軟件包(MEMCAD)仿真分析后可知,兩個方向上的振動相互不影響,所以,這樣的連接方式不用考慮機械耦合。
  該微機械陀螺的平面外輪廓的結構參數為1mm2,厚度僅為2μm。其工作原理是:當在敏感質量塊上施加一直流偏置電壓,在活動叉指和固定叉指間施加適當的交流激勵電壓時,敏感質量塊將在y軸方向上產生固有振動。當陀螺感受到繞z軸的角速度時,由于科氏效應,敏感質量塊將產生沿x軸的附加振動。通過測量附加振動的振動幅值就可以得到被測的角速度。在常規的大氣情況下,該敏感結構具有優于0.37°/s 的分辨力。
  (三)車輛監控和自診斷用傳感器
  在車輛監控和自診斷方面,MEMS技術的一個主要應用將是輪胎壓力監測;其次是應用于冷卻、剎車等系統的傳感器。此外,還有如像在亮度控制系統中使用光傳感器;在電子駕駛系統中使用磁傳感器、氣流速度傳感器;在自動空調系統中使用室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器;在導向行駛系統中使用方位傳感器、車速傳感器等。
  (四)高溫微電子在汽車中的應用
  高溫微電子在汽車發動機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動力管理及分配等方面的監控中都起著非常重要的作用。例如:用于發動機控制的高溫微電子傳感器和控制器將有助于燃燒的更好監測和控制,它將使燃燒的更加徹底,提高燃燒效率。但是,用傳統的硅半導體技術制作的微電子器件由于不能在很高的溫度下工作,已不能勝任。為了解決在高溫環境下溫度測量問題,必須研制一種新的材料來取代傳統的半導體材料。第三代寬能帶半導體材料Sic 具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速率、高熱導率及抗輻照能力強等一系列優點,特別適合制作高溫、高壓、高功率、耐輻照等半導體器件。集成的sic傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸,這樣,能進一步獲得有關燃料燃燒效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明:一旦sic半導體技術能解決好材料、封裝等技術而得到進一步的發展,SIC功率器件的工作范圍將超過傳統的硅功率器件,而且,其體積比Si功率器件也要小。
  四、結束語
  由于汽車傳感器在汽車電子控制系統中的重要作用和快速增長的市場需求,世界各國對其理論研究、新材料應用和新產品開發都非常重視。未來的汽車用傳感器技術,總的發展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。
  基于MEMS技術的微型傳感器在降低汽車電子系統成本及提高其性能方面的優勢,它們已開始逐步取代基于傳統機電技術的傳感器。隨著納米技術的進步,體積更小、造價更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應用在汽車的各個方面。在未來幾年內,包括發動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、剎車防抱死系統、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統在內的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。

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