车用传感器新技术及成果

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1、车用传感器新技术及成果摘 要：本文介绍了车用传感器的应用范围、使用要求及发展趋势，并据此分类列举了数种近年来出现的车用传感器新技术 及成果，包括：微型传感器、集成传感器、智能传感器、数字传感器等。关键词：车用传感器技术成果New Technology and Achievements of Automotive SensorsCHEN Jing(School of Auto mobile Engineering,Harbin Ins titute of Technology,Weihai,Shandong 264209,China) Abstract: This paper expounds

2、the applica tions,use requiremen ts and developmen t trend of auto mo tive sensors,lis ts several new t echnology and achievemen ts of auto mo tive sensors which repor ted t hese years,include micro sensor,in tegra ted sensor,smar t sensor,digi tal sensor.Keywords:au to mo tive sensor; technology an

3、d achievemen ts一、车用传感器概述车用传感器是将汽车上的被测非电物理量转换 成电信号的装置。近年来，随着汽车电子化、智能 化和轻型化程度的不断提高.汽车产业对传感器的 需求量也越来越大，同时车用传感器对汽车安全性、 经济性、舒适性等性能的影响也越来越重要。几年得到迅速发展。导航系统用传感器主要有：确 定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和速度传感 器、方向盘转角传感器等。在车身上应用的各种传感器：有防撞加速度传 感器、超声近距离目标传感器和红外热成像传感器, 毫米波雷达和环境气体电化学传感器。新型的传感 器有超声阵列反向传感器、侧面路面偏距报警和红 外热成像夜视传感器。（一）车用传

4、感器应用范3传感器在底盘上的应用1传感器在发动机上的应用发动机控制系统用传感器是车用传感器的重要 组成部分，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（ECU）提供发动机的工作状况信息，供 ECU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。2传感器在车身上的应用车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全 性、可靠性和舒适性等。主要有用于自动空调系统 的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传 感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器；用 于门锁控制中的车

5、速传感器；用于亮度自动控制中 的光传感器；用于倒车控制中的超声波传感器或激 光传感器；用于保持车距的距离传感器；用于消除 驾驶员盲区的图像传感器等。随着基于GPS / GIS（全球定位系统和地理信息 系统）的导航系统在汽车上的应用，导航用传感器这底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统的 速度传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、 节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感 器、油温传感器等；悬架控 制系统应用的传感器有速度传感器、节气门位置传 感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转 角传感器等；动力转向系统应用的传感器主要有车 速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压 传感器等

6、。底盘应用的主要类型传感器，即旋转位移和压 力传感器、惯性加速度传感器和角速率传感器取代 了温度传感器而成为在车底盘上应用的4种主要传 感器。目前底盘应用的新型传感器有侧路面角速率传 感器、车轮角位置传感器和悬架位移位置传感器。4传感器在汽车稳定控制上的应用ESP （Electronic Stability Program，电子稳定程 序）是汽车电控的一个标志性发明。是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS 的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向 和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车 的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽 车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。汽车ES

7、P的电子部件主要包括电子控制单元 (ECU)、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向 加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。 ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统，其各 个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。文中将会对ESP常用传感器的特点进行介绍。(二) 使用要求及发展趋势设计和选用车用传感器应该具备高可靠性、高 性价比、高适应性、方便安装使用和高精度这五项 特有的使用要求。对应地，在车用传感器的研发有五项重要措施： 选择可靠技术和材料、合理适量生产、选择耐苛刻 条件的材料及安全的安装点、微型化设计、实地误 差补偿。1二、车用传感器新技术及成果由于车用传感器在汽车电子控制系统中的

8、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：开发新 材料，制造新型传感器；采用新工艺，将MEMS 技术应用于传感器领域；传感器集成化和多功能化; 传感器智能化等各尽其能。下面分类介绍一些新技 术及成果。(一)微型传感器1 总述微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而 来的MEMS(微电子机械系统)，微型传感器利用微 机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、 数据处理装置封装在一快芯片上。由于具有体积小、 价格便宜、便于集成等特点，可以明显提高系统测 试精度。目前该技术日渐成熟，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

9、微型传感器。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，它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感 器。2 在汽车工程中的应用(1) 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 感器是整个车用传感器的核心，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。近几年出现的新技术及成果有一下几项： 压力传感器德国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

10、车启 动时自动开机进入自检，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0.8pm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。2 流量传感器Honeywell的下属微开关(microswitch)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

11、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。2(2) 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。 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 个重要应用。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6mmx 4mmx 1.4mm,它有4 个敏感质量块，4个独立的信号读出电

12、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。（tan35.26。0.707 ）。2 表面微机械陀螺微机械陀螺是具有复杂的检测与控制电路的 MEMS装置。SaidEmreAlper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

13、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 1mm，厚度仅为2pm。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 指问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。2 车辆监控和自诊断用传感器在车辆监控和自诊断

14、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。3 结论基于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

15、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。（二）集成化和多功能化传感器1总述随着传感器应用领域的不断扩大，借助半导体 的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组 装技术等，传感器从单个元件、单一功能向集成化 和多功能化方向发展.集成化是指利用半导体加工技术，将敏感元件、 信息处理或转换元件以及电源电路等元件制作在同 一芯片上，如集成压力传感器、集成温度传感器、 集成磁敏传感器等.集成化是多功能化的基础，汽 车发动机控制系统采用的热膜式空气流量传感器就 是一种集成化、多功能化的传感器，不仅具有测量 空气流量的功能，而且还有温

16、度补偿功能.多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以 上的特征参数或者化学参数，从而减少车用传感器 的数量，提高系统的可靠性。2在汽车工程中的应用近几年出现的新技术及成果有： 离子检测系统三菱（Mitsubishi电子公司）正在开发一种车用 离子检测系统。这个系统能够通过检测离子来监控 发动机每个气缸的燃烧情况。当可燃混合气持续燃 烧时，在燃烧峰面附近就会发生电离现象。把一个 带偏压的测头放入气缸，就可以测出与电离状况相 关的离子流。这个能反映发动机各种燃烧状况的信息控制系 统由带测头的火花塞、装有测试附件的点火线圈及 一套处理离子流信号的电子模块构成，它可以判别 每个缸的点火、燃烧及爆震情况。进一步的功能将 是对发动机的混合气状况加以监控，即根据离子流 所显示的燃烧情况来控制每个缸的空