Современные автомобили развиваются от простого транспорта к безопасному, удобному и экологически безопасному. Ключом к достижению этих целей является электронизация и интеллект автомобиля, а предварительным условием является своевременный доступ к информации, что неизбежно потребует широкого использования различных датчиков в автомобиле. Традиционные датчики, как правило, большие по размеру и весу и дорогостоящие, и их применение в автомобилях сильно ограничено.

В последние годы технология микромеханических и электрических систем (microelectronmechnical system, MESM), разработанная из технологии полупроводниковых интегральных схем (IC), становится все более зрелой. Миниатюрные датчики - это микромеханические и электрические устройства, которые в настоящее время являются успешными и функциональными и в основном включают микродатчики давления и микродатчики ускорения, которые генерируют выход телекоммуникационных сигналов с помощью механической деформации микромембран; Кроме того, есть миниатюрные температурные датчики, магнитное поле Чэнь Цянь, газовые датчики и т. Д. Большинство этих миниатюрных датчиков имеют площадь ниже 1 мм2. По мере дальнейшего развития технологий микроэлектронной обработки, особенно нанообработки, сенсорная технология также будет эволюционировать от микродатчиков до нанодатчиков. Эти миниатюрные датчики являются небольшими по размеру и могут выполнять множество совершенно новых функций, которые облегчают массовое и высокоточное производство, низкую стоимость отдельных деталей и легко формируют крупномасштабные и многофункциональные массивы, что делает их идеально подходящими для применения в автомобилях.

　　1 Классификация автомобильных датчиков

Автомобильные датчики являются общим термином для различных датчиков, используемых в системах отображения и управления автомобилем. Он включает в себя множество физических и химических датчиков. Эти датчики либо позволяют водителю понять состояние различных частей автомобиля; Они используются для контроля состояния отдельных частей автомобиля. Роль в автомобиле можно разделить на управление двигателем, управление шасси и предоставление водителю различных информационных датчиков, состоящих из тонкой керамики, полупроводниковых материалов, оптических волокон и высокомолекулярных пленок; Распределение аналоговых и цифровых датчиков по выходным характеристикам; Разделяется по принципу композиции, имеет структурный, вязкий и сложный тип. Для удобства они классифицируются по объектам управления автомобильными датчиками, как показано в таблице 1.

　　Применение микродатчиков в автомобилях

Существует множество типов датчиков, используемых в автомобилях, и широкий спектр применений. Ниже приводится описание применения датчиков в управлении автомобильным двигателем, системах безопасности, мониторинге транспортных средств и самодиагностике.

2.1 Датчики управления автомобильным двигателем

Электронное управление двигателем всегда считалось одной из основных областей применения технологии MEMS в автомобилях. Датчики системы управления двигателем являются ядром всего автомобильного датчика, множество видов, включая датчики температуры, датчики давления, датчики положения и скорости вращения, датчики расхода, датчики концентрации газа и детонационные датчики: эти датчики предоставляют информацию о рабочем состоянии двигателя электронному блоку управления двигателем, который контролирует рабочее состояние двигателя, чтобы повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, сократить выбросы выхлопных газов и провести обнаружение неисправностей.

(1) Датчик замены температуры

Датчик температуры автомобиля в основном используется для определения температуры двигателя, температуры вдыхаемого газа, температуры охлаждающей воды, температуры топлива и каталитической температуры. Датчики температуры имеют три основных типа термисторов, проволочных резисторов и термопар. Эти три типа датчиков имеют свои особенности, и их применение также немного отличается. Терморезистивный температурный датчик обладает высокой чувствительностью и лучшими характеристиками реакции, но имеет более низкую линейную разность и более низкую температуру адаптации. Среди них общий тип диапазона измерения температуры - от 50 до 30°C, точность 1,5%, время отклика 10 мс; высокотемпературный тип 600 - 1000cC, точность 5%, время отклика 10 мс; проволочный резистивный датчик температуры с высокой точностью, но плохие характеристики отклика; Терморезисторный температурный датчик с высокой точностью и широким диапазоном измерений температуры, но его необходимо использовать вместе с усилителем и обработкой на холодном конце. Другие практические продукты включают ферритовые температурные датчики (диапазон измерения температуры от - 40 до 120°C, точность 2,0%), датчики температуры воздуха на металлических или полупроводниковых пленках (диапазон измерения температуры от - 40 до 150°C, точность 2,0%, 5%, время отклика около 20 мс) и так далее.

(2) Датчики давления

Датчик давления - это гораздо более используемый датчик в автомобиле, в основном используемый для обнаружения давления воздуха в подушке безопасности, давления жидкости в трансмиссии, давления впрыска топлива, давления масла двигателя, давления впускной трубы, давления жидкости в системе фильтрации воздуха и так далее. В настоящее время. Основными компаниями, занимающимися разработкой и производством датчиков давления для автомобилей, являются Motorola, Deco Electronics Instruments, LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo， Сименс, Техасский прибор и так далее.

Наиболее часто используемые автомобильные датчики давления включают конденсаторы, сопротивление давлению, дифференциальные трансформаторы, акустические поверхностные волны. Конденсаторный датчик давления в основном используется для обнаружения отрицательного давления, гидравлики, давления воздуха, диапазон измерений от 20 до 100 кПа, характеризуется высокой входной энергией, хорошими динамическими характеристиками реакции, хорошей адаптивностью окружающей среды; Производительность датчика давления с сопротивлением давлению в большей степени зависит от температуры и требует отдельной схемы компенсации температуры, но подходит для массового производства; Дифференциальный трансформаторный датчик давления имеет больший выход, простой цифровой выход, но плохая помехоустойчивость; Акустический поверхностно - волновой датчик давления имеет характеристики малого размера, легкого качества, низкого энергопотребления, высокой надежности, высокой чувствительности, высокой разрешающей способности, цифрового выхода и т. Д. Он используется для обнаружения давления всасывающего клапана автомобиля и может стабильно работать при высоких температурах.

Интеллектуальный датчик давления в шинах KPS00, разработанный немецкой компанией Infineon, имеет встроенный модуль датчика давления и температуры, который не требует добавления датчика ускорения в модуль датчика, может автоматически включаться в самоконтроль при запуске автомобиля, может измерять давление, температуру и напряжение. Все функции интегрированы в биполярные комплементарные МОП - полупроводники (BiCMOS) объемом 0,8 мкм с использованием технологии микромеханической обработки поверхности. Электрический стирающий 32 - битный идентификатор чипа, хранящийся в программируемой ПЗУ в каждом сенсорном модуле. Идентификатор чипа может быть прочитан синхронным последовательным интерфейсом и может использоваться для идентификации местоположения каждого датчика давления шины. При получении данных сначала проверьте идентификационный код чипа и откажитесь от полученного кадра данных, если вы обнаружите, что идентификационный код чипа не соответствует.

(3) Датчики расхода

Датчики расхода в основном используются для измерения расхода воздуха и топлива в двигателе. Вход является одним из основных параметров расчета впрыска топлива. Функция датчика расхода воздуха: воспринимает размер потока воздуха и преобразует его в электронный блок управления, который передает электрический сигнал двигателю. Измерение расхода воздуха используется системой управления двигателем для определения условий горения, управления коэффициентом горения воздуха, запуска, зажигания и т.д. Датчики расхода воздуха имеют четыре типа: роторную пластину, вихрь Кармана, тип, тип тепловой пленки и т. Д. Основные технические показатели датчиков расхода воздуха: рабочий диапазон 0,11 - 103м3 / мин, рабочая температура - 40 - 120°С, точность - 1%. Датчик расхода топлива используется для обнаружения расхода топлива, в основном водяного колеса и циркулирующего сферического типа, динамический диапазон 0 - 60 кг / ч, рабочая температура - 40 - 12 °С, точность ±1%, время отклика # lt; 10 мс.

Компания Microswitch, подчиненная Honeywell, использует технологию термической микрообработки для создания микромостового датчика расхода воздуха, который использует технологию микротонкой обработки для обработки полостей на кремниевых пластинах, а платиновое сопротивление висит над полостью. При прохождении воздуха через прибор происходит передача тепла снизу вверх от направления потока воздуха, поэтому нижнее сопротивление охлаждается, верхнее сопротивление нагревается, а расход воздуха измеряется изменением сопротивления моста.

(4) Датчики положения и скорости вращения

Датчик положения коленчатого вала и скорости вращения в основном используется для обнаружения угла поворота коленчатого вала двигателя, скорости вращения двигателя, открытия дроссельной заслонки, скорости и т. Д. Для обеспечения сигнала точки отсчета времени зажигания и времени впрыска топлива, а также для обеспечения сигнала скорости вращения двигателя. В настоящее время датчики положения и скорости, используемые автомобилем, в основном включают генератор переменного тока, магнитное сопротивление, эффект Холла, переключатель пластины, оптический, полупроводниковый магнитный транзистор и т. Д., Его диапазон измерения от 0 ° до 360 °, точность лучше ± 0,5 °, измеренный угол изгиба ± 0,1 °.

Широкий спектр датчиков скорости, с вращением чувствительных колес, а также с вращением чувствительных силовых приводных валов, а также с вращением чувствительных дифференциальных приводных валов. Когда скорость выше 100 км / ч, общий метод измерения имеет большую погрешность, необходимо использовать бесконтактный фотоэлектрический датчик скорости, диапазон измерения скорости 0,5 - 250 км / ч, точность повторения 0,1%, ошибка измерения расстояния лучше 0,3%.

(5) Датчики концентрации газов

Датчики концентрации газа в основном используются для обнаружения выбросов газов и выхлопных газов в кузове автомобиля. Среди них основным является датчик кислорода, который обнаруживает содержание кислорода в выхлопных газах автомобиля, измеряет отношение горения в воздухе в соответствии с концентрацией кислорода в выхлопных газах и посылает сигнал обратной связи в устройство управления микромашиной, чтобы контролировать отношение горения в воздухе, сходящееся с теоретическими значениями. Обычно используются датчики оксида германия (с использованием температуры - 40 - 900 ° C, точность 1%), газовые датчики типа батареи с разностью концентрации оксида хрома (с использованием температуры 300 - 800 ° C), газовые датчики с твердым электролитическим газом оксида хрома (с использованием температуры от 0 до 400 ° C. с точностью 0,5%), а также датчики кислорода диоксида титана и кислорода диоксида циркония. По сравнению с датчиками оксида германия датчики кислорода диоксида титана имеют простую конструкцию, легкую, дешевую и сильную стойкость к загрязнению свинцом: микроионные датчики диоксида циркония состоят из ионов оксида циркония, стабильных оксидом кальция, пористых платиновых толстопленочных рабочих электродов, параметрических электродов палладия / оксида палладия, водонепроницаемого слоя, контакта электродов и защитного слоя. Среди них оксид кальция стабилизирует оксид циркония, накапливающийся методом реактивного распыления. Рабочие и эталонные электроды изготовлены из толстопленочного процесса. При резком изменении выходного напряжения вблизи идеальной точки A / F выходное напряжение кислородного датчика уменьшается, когда отношение горения в воздухе становится высоким, а концентрация кислорода в выхлопных газах увеличивается; Когда коэффициент горения в воздухе снижается, а концентрация кислорода в выхлопных газах снижается, выходное напряжение кислородного датчика увеличивается. Электронный блок управления распознает этот мутирующий сигнал и корректирует количество впрыска топлива, чтобы соответствующим образом регулировать отношение горения в воздухе, изменяя его вблизи идеального отношения горения в воздухе.

(6) Датчики детонации

Датчик детонации используется для обнаружения вибрации двигателя, управления углом опережения зажигания и предотвращения детонации двигателя. Для максимального использования мощности двигателя без детонации угол опережения зажигания должен контролироваться на пороге детонации. Когда двигатель производит детонацию, датчик преобразует вибрацию, вызванную детонацией, в электрический сигнал и передает ее в электронный блок управления. Существует три способа обнаружения детонации: определение давления цилиндра, вибрации корпуса двигателя и шума горения. Датчики детонации имеют магнитострикционные и пьезоэлектрические типы. Используемая температура магнитострикционного детонационного датчика составляет от - 40 до 125 °C, частотный диапазон от 5 до 10 кГц; пьезоэлектрический детонационный датчик на центральной частоте 5.417 кГц, его чувствительность до 200 мВ / gn, амплитуда 0,1 - l0gn. В диапазоне есть хорошая линейность.

(7) Датчик положения дроссельной заслонки

Датчик положения дроссельной заслонки устанавливается на дроссельной заслонке, функция которой заключается в преобразовании сигнала открытия дроссельной заслонки двигателя в электрический сигнал и передаче его в электронный контрольный лист для восприятия размера нагрузки двигателя и режима добавления и замедления. Обычно используется датчик положения дроссельной заслонки переменного сопротивления. Датчик представляет собой типичный датчик дроссельной заслонки, состоящий в основном из двух частей: линейного трансформатора и контакта холостого хода. Сопротивляющий трансформатор изготовлен из керамического тонкопленочного сопротивления, скользящий контакт управляется пружиной сброса и коаксиальным вращением с дросселем. При работе контакт линейного преобразователя скользит по резистору, и в зависимости от изменяющегося значения сопротивления можно измерить линейный выходной сигнал напряжения, пропорциональный открытию дросселя. В соответствии с значением выходного напряжения электронный блок управления может узнать скорость изменения открытия и открытия дроссельной заслонки, чтобы определить режим работы двигателя, улучшить точность и эффект управления. Поскользнувший контакт сигнала холостого хода - это нормально открытый контакт, который закрывается только при полном закрытии дросселя и генерирует сигнал контакта холостого хода, который в основном используется для управления холостом хода, управления разрывом масла и коррекции угла опережения зажигания.

2.2 Использование датчиков в системах безопасности

Безопасность является основным фактором, рассматриваемым автомобилями, и существует множество датчиков безопасности, таких как миниатюрные акселерометры для подушек безопасности автомобиля, поверхностные микромеханические гироскопы для измерения угловой скорости.

(1) Сенсоры микроускорения

Подушки безопасности являются и будут основным приложением для рождения MEMSJ. Используемые кремниевые акселерометры обычно имеют диапазон 50 Гн.

Шведский Henrik и другие сообщили о новом кремниевом микро - трехосном акселерометре с параметрами формы 6 мм × 4 мм × l.4 мм, который имеет четыре чувствительных блока массы, четыре независимых электрода считывания сигнала и четыре эталонных электрода. Он умело использует структурные характеристики чувствительных балок, которые имеют очень небольшую жесткость в направлении их толщины и могут чувствительно ускоряться, а в других направлениях имеют относительно большую жесткость и не могут чувствительно ускоряться. На поперечном сечении акселерометра направление толщины чувствительной балки в результате анизотропной коррозии составляет 35,26° (tan35,26° = 0707) по отношению к норме акселерометра (ось z).

(2) Поверхностные микромеханические гироскопы

Традиционный гироскоп состоит из высокоскоростного вращающегося ротора, внутреннего кольца, внешнего кольца и основания, внутреннее и внешнее кольца этого гироскопа обычно поддерживаются шариковыми подшипниками, которые обычно изготовлены с помощью механических методов обработки, требуют высокой точности обработки, большой сложности, а сделанный гироскоп имеет большой объем и массу. Микромеханический гироскоп - это устройство MEMS со сложной схемой обнаружения и управления. SaidEmreAlper и другие сообщают о структурно симметричном поверхностном микромеханическом гироскопе с характеристиками развязки. Чувствительная конструкция имеет опорный « якор» в каждом из четырех углов снаружи, в отличие от традиционного способа реализации прямой опоры на « якор», она использует симметричный структурный чувствительный массивный блок, поддерживающий соединительную балку и органично соединяющий приводные электроды и чувствительные электроды через балку. Эмуляционный анализ с помощью пакета для моделирования микроустройств (MEMCAD) показывает, что вибрации в двух направлениях не влияют друг на друга, поэтому такой способ соединения не учитывает механическую связь.

Структурные параметры плоского внешнего контура микромеханического гироскопа составляют 1 мм2, толщина составляет всего 2 / мкм. Принцип его работы заключается в том, что при применении напряжения смещения постоянного тока к чувствительному массиву массы и соответствующего напряжения возбуждения переменного тока между подвижным и неподвижным пальцем вилки чувствительный блок массы будет генерировать собственные вибрации в направлении оси y. Когда гироскоп чувствует угловую скорость вращения вокруг оси Z, чувствительные массивные блоки будут генерировать дополнительные вибрации вдоль оси X из - за эффекта Коха. Измеренная угловая скорость может быть получена путем измерения амплитуды вибрации дополнительной вибрации. В обычных атмосферных условиях этот чувствительный результат имеет разрешение благодаря 0,37 ° / с.

2.3 Датчики слежения за транспортными средствами и самодиагностики

Одним из основных применений технологии MEMS для мониторинга и самодиагностики транспортных средств будет мониторинг давления в шинах; Во - вторых, датчики, используемые в системах охлаждения, торможения и т.д. Кроме того, например, использование световых датчиков в системах управления яркостью; Использование магнитных датчиков, датчиков скорости воздушного потока в электронных системах управления; В автоматической системе кондиционирования воздуха используются датчики температуры в помещении, датчики температуры всасывания, датчики количества воздуха, датчики солнечного света, датчики влажности; В направляющей системе движения используются датчики ориентации, датчики скорости и так далее.

2.4 Применение высокотемпературной микроэлектроники в автомобилях

Высокотемпературные микроэлектроны играют очень важную роль в управлении автомобильными двигателями, цилиндрами и выхлопными трубами, электронной подвеске и тормозах, управлении и распределении мощности. Например, высокотемпературные микроэлектронные датчики и контроллеры, используемые для управления двигателем, помогут улучшить мониторинг и управление сжиганием, что сделает сжигание более интенсивным * и повысит эффективность сгорания. Однако микроэлектронные устройства, изготовленные с использованием традиционных кремниевых полупроводниковых технологий, не могут работать при высоких температурах. Для решения проблемы измерения температуры в условиях высоких температур необходимо разработать новый материал, который заменит традиционные полупроводниковые материалы. Третье поколение широкополосного полупроводникового материала SiC имеет ряд преимуществ, таких как высокое пробивное электрическое поле, высокая скорость дрейфа насыщенных электронов, высокая теплопроводность и сильная устойчивость к облучению, особенно подходит для производства высокотемпературных, высоковольтных, мощных, радиационно - стойких и других полупроводниковых устройств. Интегрированные датчики SiC могут вступать в непосредственный контакт с высокотемпературными топливными баками и выхлопными трубами, что позволяет получить дополнительную информацию об эффективности сжигания топлива и сокращении выбросов выхлопных газов. Исследования показывают, что, как только полупроводниковая технология SiC сможет решить проблему материалов, инкапсуляции и других технологий для дальнейшего развития, устройство мощности SiC будет работать больше, чем традиционные устройства мощности кремния, и его объем меньше, чем устройство мощности Si.

　　3. Заключительные замечания

Из - за важной роли автомобильных датчиков в электронных системах управления автомобилем и быстро растущего рыночного спроса страны мира придают большое значение своим теоретическим исследованиям, применению новых материалов и разработке новых продуктов. Будущие сенсорные технологии для автомобилей, общая тенденция развития - миниатюризация, многофункциональность, интеграция и интеллект.

Преимущество микродатчиков, основанных на технологии MEMS, в снижении стоимости и повышении производительности автомобильных электронных систем, постепенно вытесняет датчики, основанные на традиционных электромеханических технологиях. По мере развития нанотехнологий миниатюрные датчики меньшего размера, более дешевые и более мощные будут широко использоваться во всех аспектах автомобиля. В ближайшие годы приложения, в том числе управление работой двигателя, контроль качества выхлопных газов и воздуха, антиблокировочные системы тормозов, динамический контроль транспортных средств, адаптивная навигация и системы безопасности движения транспортных средств, обеспечат широкий рынок для технологии MEMS.