微型传感器在汽车中的应用

　　安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。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。

　　近年来从半导体集成电路(IC)技术发展而来的MEMS (Microelectromechnical System, 微电子机械系统)技术日渐成熟。利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器,这些传感器的体积和能耗小,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。

　　80年代初,微型压阻式多路绝对压力（Manifold Absolute Pressure）传感器开始大批量生产,取代了早期采用LVDT技术的压力传感器。80年代中期微型加速度传感器开始用于汽车安全气囊,它们是到目前为止大量生产的、并在汽车中得到广泛应用的微型传感器。然而微型传感器的大规模应用势必将不限于发动机燃烧控制和安全气囊,在未来5～7年内包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS(antilock brake system,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（如气囊和障碍物检测与避撞等）在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。

　　全世界的汽车产量将从2000年的4750万辆(包括客车、特种车辆和轻型卡车）增长到2005年的5400万辆。2000年汽车用电子产品的市场为227亿美元,预计到2005年达到309亿美元,年平均增长率达到6.3%。相应的每部汽车在电子产品方面所花费的成本从2000年的477美元增加到2005年的572美元。

　　据文献报道,2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品）,到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件）,增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计）。2000年北美所占汽车传感器市场份额最大,为47%,接下来分别是欧洲(26%),日本(22%),和韩国 (5%)。

　　速度和位置传感器占2000年全部汽车传感器市场(以美元计）的38%,接下来是氧气传感器（20%)、空气质量流量传感器（13%）、加速度计(11%）、压力传感器(10%）、温度传感器(5%)及其他(3%）。

　　2000～2005年度汽车传感器的主要增长领域包括以下几个方面：用于车辆动力学控制和安全气囊的加速度计;用于传动、刹车、冷却、轮胎、燃油等方面的压力传感器;用于车辆动态控制、翻车报警和GPS后备的偏航速率传感器;用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器;车厢环境监控的湿度传感器;日光、雨水和湿度传感器;用于近距离障碍物检测和避撞的测距传感器。

　　汽车部件需要满足多项环境、可靠性和成本等方面的要求。具体来说,它们一方面必须能经受各种高低温、振动、冲击、潮湿、腐蚀性气氛、电磁干扰等不利因素的考验;另一方面也必须适于大批量生产,一般要达到每年一百万件以上,这不仅是汽车量产的需求,也是收回设计和制造方面的巨额投资所必需的。此外,其可靠性也应与汽车高达10年/15万英里的使用寿命相一致。总而言之,汽车部件是“军品的质量,民品的价格”。

　　绝大多数微型传感器采用硅材料。众所周知,硅材料容易获得很高的纯度,有良好的机械性能且重量较轻,本身具有光电效应、压阻效应和霍尔效应等多种传感特性,且便于制作信号敏感与处理电路集成的传感器。微型传感器的主流工艺是硅基微机械加工工艺,它来源于已经成熟的半导体工艺,可以同时加工出大量几乎完全相同的机械结构。因此,除了具有体积小、重量轻、能耗低等优点外,微型传感器的可靠性较高,其供货价格也可以远远低于采用传统机电技术和工艺的传感器。MEMS技术势必将成为汽车传感器的主流技术。最近的Roger Grace Associates/Nexus报告估计汽车用MEMS产品的销售额将从2000年的17.5亿美元增加到2005年的22.7亿美元,年均增长率为16.9%。

　　由于基于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,它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。早期的多路绝对压力传感器已经基本为微型化的传感器所替代,目前这种传感器的敏感元件和信号处理电路已经可以集成在同一芯片上,从而大大缩小了体积并可以提高可靠性和减小干扰。

　　在其它压力敏感应用,特别是恶劣环境中（如置于发动机油和散热器冷却剂中的）,一般采用分立元件构成的陶瓷电容式压力开关,它们现在将逐步被用键合方法制作的硅应变计（一般固定在成本低而坚固的封装中）或压敏电阻芯片（装在带不锈钢膜片端盖的充满硅油的硅制外壳中)所替代。目前可以提供这类产品的厂商有Keller, Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco以及Integrated Sensor Solutions(ISS)/Texas Instruments。质量流量传感器通常是用分立的热线构成的,而目前Bosch公司利用表面微机械方法制作的微型化的传感器已经显示出其显著的优势。用于安全气囊的撞击传感器已从简单的“球—管”(Ball And Tube)式传感器演化为微型化和集成的加速度计,目前的主要厂商有ADI, Motorola, SensoNor,和Nippondenso等。其中Motorola 的微型加速度计产品如图2所示。此外用量很大的轮速传感器（用于ABS及车辆动力学控制）也将由传统的变磁阻式向霍尔式、各向异性磁阻比(AMR)和巨磁阻比(GMR)式发展。以上分析和实例说明微型化是现有汽车用传感器发展的主要方向。

　　本节将对微型传感器在汽车中的主要应用方向进行分析,它们包括安全系统、提高舒适性/方便性/防盗、发动机/驱动链以及车辆监控和自诊断等四个方面。

　　安全气囊目前是而且将来也是MEMS的一个主要应用。所用的硅基加速度计的量程一般为50g。除了ADI公司外,一般的加速度计仍由多芯片组件构成,提供经过调理的信号。ADI则采用较为先进的单片式集成方法,在同一芯片上同时制作出加速度敏感元件与相应的信号调理电路,如图3所示。

　　不少厂商已对利用压缩空气来代替打开气囊时所常用的钠基化合物炸药或作为它的一种补充进行了研究。为此研究了用于检测压缩空气缸压力的传感器,但目前尚未实际应用。

　　悬挂系统应该能够在高速转向时、在凹凸不平的路面上行驶时以及突然加速和刹车时让车辆仍具有较好的驾驶性能。许多系统采用的是总体式闭环控制。完全主动式的系统非常昂贵（2500～4000美元）,其所用的液压作传动装置将消耗很大一部分功率,而且大大增加了重量。这些系统的引入确实改善了车辆的性能,但也大大增加了成本。因此它们在大批量生产的汽车上的应用受到了限制。不过,许多厂商引入了半主动控制的悬挂系统。其中一些在减震器上安装了位移传感器并采用了不少线加速度计。这方面的应用要求的加速度量程仅为±2g的量级,它们为微型传感器的应用提供了很好的机会。

　　从1995年S级Mercedes轿车开始,硅基压力传感器已用于检测主制动器气缸的压力。除角速率传感器外,加速度传感器、方向盘角度和车轮速度传感器正逐步应用于车辆动力学控制中。但是,大部分车辆仅使用车轮速度传感器（ABS,牵引力控制）。目前,Bosch公司的表面微机械陀螺或Systron Donner和Matsushita的音叉式陀螺等角速率传感器的单个售价为25美元,其应用仅限于高级轿车,如Mercedes(S级)、BMW、Cadillac。多家著名的汽车及配件供应商正在致力于设计性价比更高的系统。更廉价的基于MEMS技术的角速率传感器将有助于这些系统在价格更低的汽车中应用。

　　目前的汽车导航系统将GPS（全球定位系统)和储存于CD-ROM中的电子地图与车轮旋转传感器和速率陀螺或磁罗盘结合起来。但目前此类系统的价格很高,约为1800美元,只能作为待选的配件。在这方面的应用中MEMS传感器将发挥越来越重要的作用,它们的应用将使这类系统在不远的将来降到900美元以下。

　　表2列出了微型传感器在提高舒适性/方便性/防盗方面的应用。

　　汽车空调压缩机中的压力测量为MEMS技术提供了很好的机会。目前所使用的是其他技术(如T I的陶瓷电容压力传感器）。但很多MEMS技术公司正积极开发相应的微型传感器,以争夺这一很大的市场。

　　表3列出了微型传感器在发动机/驱动链方面的应用。

　　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。Delco, Motorola和Bosch公司生产了数以百万计的多路压力传感器。这些器件测量出的多路进气压力可以用来计算空气/燃料比。人们正在尝试用空气质量流量(mass airflow）传感器代替这类器件。目前市场上出售的产品采用了分立的热线式风速测量方法,它们的体积大、价格高。Bosch公司1995年引入了一种基于薄膜技术的新型质量流量传感器。现在许多组织正在对已经微型化的这种传感器进行评估。除了多路压力和质量流量参数外,发动机控制器还需要获取大气压力参数,以便根据推算出的海拔高度信息确定合理的空气/燃油比。MEMS技术将在这些应用中发挥越来越重要的作用。

　　气缸压力测量对于优化发动机性能来说十分关键。由于气缸内的温度很高,压电和光纤技术较为实用,不过它们昂贵的价格限制了其应用。目前Ford和Chrysler公司的汽车中采用了废气循环(EGR）系统。在这些系统中,陶瓷电容式压力传感器正为微型硅压阻式传感器所取代。无级可调传动系统需要测量液压油的压力。在这一方面,通过各种方法与工作介质隔离开来的微型压力传感器将有广阔的应用前景。Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions (最近为TI收购)和 SSI Technologies公司正开发用于这类应用的微型传感器。它们都集成有通过EEPROM编程的硅基CMOS ASIC混合电路。

　　表4列出了微型传感器在车辆监控和自诊断方面的应用。

　　在这一方面,MEMS技术的一个主要应用将是轮胎压力监测。无论从安全行车还是从节省燃油的角度来看,有必要保持适当的轮胎充气状态。目前已有不少实时胎压监测系统。基于MEMS技术的微型压力传感器是理想的敏感器件。随着run-flat轮胎的引入,这些测量系统已经广泛安装于各种新车型中。Run-flat轮胎的使用使人们不再需要备用胎和千斤顶。美国克林顿政府已制定了一项法令,要求到2004年美国境内使用的载客汽车必须安装这类装置。这为微型压力传感器提供了一个巨大的市场,Lucas NovaSensor, Motorola和 Sensonor等厂商正积极争夺这一市场。

　　发动机油的监测也为MEMS技术提供了一个重要的应用机会。这些系统应用的最大障碍是其价格。这类微型压力传感器必须能够在温度很高的发动机油中正常工作,其硅制敏感芯片部分必须与工作介质隔离开。带有全部信号调理电路并封装好的传感器的价格应在5～7美元之间。压力传感器还可以应用于监控易挥发燃油油箱中的蒸气压,以确保无燃油蒸气泄漏。

　　在不久的将来,汽车方面的应用将继续构成MEMS技术的一个重要市场。如今传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计几乎已经完全被微型化的传感器所替代。在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和刹车压力测量方面,人们正在考虑或已经开始用基于MEMS技术的传感器来取代已有的产品。此外,人们还在考虑在许多新开发的系统中采用微型传感器。价格、可靠性和体积等方面的优势将使微型传感器成为汽车中各种参数测量的首选产品。目前这些优势已为实践所证实。汽车用微型传感器已受到科研机构及厂商的高度重视,可以预言,未来5～7年其研制、生产与应用将获得高速增长。■

　　参考文献

　　1 Sven Krueger and Roger Grace, New Challenges For Microsystems-Technology In Automotive Applications, MST News, No1., 2001 pp.4-7

　　2 Roger H. Grace, Application Opportunities Of MEMS/MST In The Automotive Market: The Great Migration From Electromechanical And Discrete Solutions,http://www.rgrace.com