传感器在汽车上的应用及发展.docVIP

传感器在汽车上的应用及发展 1 前言 随着现代电子技术的发展，汽车的电子化程度越来越高，特别是电子计算机控制系统在汽车上的应用，使汽车的使用性能得到了明显改善和提高。但是，由于人们对现代汽车安全、舒适、环保、经济性、动力性及自动化程度等性能要求的逐步提高，使得汽车必须能够实现对各部位进行精密的自动控制，而实现精密控制的第一信号源就是各种各样的传感器。汽车传感器作为汽车电子计算机控制系统的重要组成部件，其使用数量和技术性能的好坏，直接影响汽车电子控制系统的工作状况。普通汽车上大约安装几十只传感器，而高级豪华轿车上的传感器数量可达200多只，这些传感器主要分布在汽车各大系统中。汽车电子化越发达，智能化程度越高，对传感器的依赖性也就越大，因此，传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。 2 车用传感器的作用及性能要求 传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。它可把物理量、电量和化学量等信息变换成计算机能够理解的电信号，这种变换包括能量形式的变换，所以也称为换能器。汽车传感器是安装于汽车上，用来感测行车过程中外在变化的传感器。汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况的信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电信号输给计算机，使汽车处于最佳工作状态。 传感器的精度及可靠性对汽车而言是非常重要的两个参数，一般说来，车用传感器性能主要有以下要求： （1）精度要求高 对于车用传感器的精度要求1%或1%以下，要求在-40～+120°C 的范围内能长期工作， 耐振动为150～2000Hz，耐冲击能达到从1m高处落在混凝土上而不引起精度的下降，并能抗电磁干扰、耐腐蚀。 （2）环境适应性强 汽车的使用环境非常恶劣，有来自发动机产生的热、振动、汽油或柴油的蒸气，以及轮胎的污泥、飞溅的水花，可概括为温度、湿度等气候条件，振动冲击等机械条件，电源、电磁干扰等电气条件，或简单地归纳为温度、湿度、振动等物理环境，过压电磁波等电气环境。不同的环境，对传感器提出不同的要求。 （3）稳定性好 汽车的交通事故和人的生命息息相关，因此车用传感器有高可靠性要求，另外，国家对汽车排气成分，如在CO、NOx 等成分的含量方面有严格规定，在正常情况下符合标准，而且还要求完成了规定行驶距离以后，仍然能达到排气标准。 3 车用传感器的应用 车用传感器所检测的信息包括车辆运动状态以及驾驶操纵、车辆控制、运动环境、异常状态监控等所需信息。汽车电子控制系统上应用了多种传感器，在这些传感器的共同作用下，汽车电子控制系统对发动机、底盘、行驶安全、信息传输等进行集中控制。 3.1 MEMS 传感器在汽车上的应用 MEMS 是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，其研究开发主要集中在微传感器、微执行器和微系统三个方面，用此技术研制的五花八门的微传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易生产、成本低的优势，可以测量各种物理量、化学量及生物量。在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，技术上日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。 压力传感器 最流行的汽车 MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理，用单晶硅作材料，以MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成4只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度，其输出大多为0~5V模拟量，测量范围取决于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，易于批量生产，力敏芯片受温度影响性能采用调理电路补偿。可用于测量进气歧管压、大气压、油压、轮胎气压等，表1示出一些主要用途。 表1 汽车压力传感器用途 (2) 微加速度计 微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个小质量物体块（约10mg），无加速度时质量块不运动，而当有垂直方向加速度时，质量块运动，对加速度敏感，并转换为电信号，经C/V转变、放大相敏解调输出。按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。 电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单，在汽车安全气囊系统和防滑系统获得广泛应用，电容式微加速度计质量块在有加速度时向下运动，与边框上的另一个电极的距离发生变化，通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移，主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状的折叠梁式，并变异成其它类型。前者结构相对简单些，制作上也多采用体硅加工方法，简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成，用半导体平面工艺各向异性腐蚀，静电封接技术封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并、串组合，设计上要复杂得多，微加工方法则以表