微型傳感器在汽車工程中的應(yīng)用

一、引言
現(xiàn)代汽車正由一個(gè)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(fā)展。
要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)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(shí)獲取，這勢(shì)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?cè)谄嚨膽?yīng)用受到很大的限制。
近幾年來，從半導(dǎo)體集成電路（IC）技術(shù)發(fā)展而來的微機(jī)電系統(tǒng)（microelectromechnical system， MEMS ）技術(shù)日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實(shí)用性的微型機(jī)電器件，主要包括利用微型膜片的機(jī)械形變產(chǎn)生電信號(hào)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(chǎng)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(shù)，特別是納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳感器技術(shù)還將從微型傳感器進(jìn)化到納米傳感器。這些微型傳感器體積小，可實(shí)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(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列，這些特點(diǎn)使得它們非常適合于汽車方面的應(yīng)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(tǒng)的各種傳感器的統(tǒng)稱。它涉及到很多的物理量傳感器和化學(xué)量傳感器。這些傳感器要么是使司機(jī)了解汽車各部分狀態(tài)的；要么是用于控制汽車各部分狀態(tài)的。按在汽車上的作用可分為控制發(fā)動(dòng)機(jī)、控制底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器，構(gòu)成這些傳感器的材料有精細(xì)陶瓷、半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)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(shù)字型傳感器；按構(gòu)成原理來分，有結(jié)構(gòu)型、韌性型和復(fù)合型。為方便起見，現(xiàn)按汽車傳感器的控制對(duì)象來分類。
三、微型傳感器在汽車中的應(yīng)用
汽車上用的傳感器的種類很多，應(yīng)用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、安全系統(tǒng)、車輛監(jiān)控和自診斷等方面的應(yīng)用。
（一）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器
發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制一直被認(rèn)為是MEMS技術(shù)在汽車中的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器是整個(gè)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(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息，供電子控制單元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、降低油耗、減少?gòu)U氣排放和進(jìn)行故障檢測(cè)。
1．溫度傳感器
汽車用溫度傳感器主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)合也略有區(qū)別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特性較好，但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中，通用型的測(cè)溫范圍為-50℃～30℃，精度為1.5%，響應(yīng)時(shí)間為10 ms；高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應(yīng)時(shí)間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測(cè)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(shí)用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器（測(cè)溫范圍為-40℃～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器（測(cè)溫范圍為-40℃～150℃，精度為2.0%，5%，響應(yīng)時(shí)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(cè)氣囊貯氣壓力、傳動(dòng)系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。目前，致力于汽車用壓力傳感器開發(fā)和生產(chǎn)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(dòng)變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測(cè)負(fù)壓、液壓、氣壓，測(cè)量范圍為20kPa～100kPa，其特點(diǎn)是輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)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(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適應(yīng)于大批量生產(chǎn)；差動(dòng)變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)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(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特點(diǎn)，用于汽車吸氣閥壓力檢測(cè)，能在高溫下穩(wěn)定地工作。
德國(guó)Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500內(nèi)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(dòng)時(shí)自動(dòng)開機(jī)進(jìn)人自檢，能測(cè)量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機(jī)械加工技術(shù)集成在 0.8μm的雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ BiCMOS） 上。每個(gè)傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著惟一的32位芯片識(shí)別碼。芯片識(shí)別碼可以由同步串行接口讀出，而且 ，可以用于辨識(shí)各個(gè)輪胎壓力傳感器的位置。在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先，要檢查芯片識(shí)別碼，如果發(fā)現(xiàn)芯片識(shí)別碼不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。