引言

　　現代汽車正由一個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展。要實現這些目標的關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獲取，這勢必要求在汽車中大量采用各種傳感器。傳統的傳感器往往體積和重量大、成本高，它們在汽車的應用受到很大的限制。

　　近幾年來，從半導體集成電路（IC）技術發展而來的微機電系統（microelectronmechnicalsystem,MESM）技術日漸成熟。微型傳感器是目前最為成功并最具實用性的微型機電器件，主要包括利用微型膜片的機械形變產生電信信號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、磁場陳干起、氣體傳感器等，這些微型傳感器的面積大多在1mm2以下。隨著微電子加工技術，特別是納米加工技術的進一步發展，傳感器技術還將從微型傳感器進化到納米傳感器。這些微型傳感器體積小，可實現許多全新的功能，便于大批量和高精度生產，單件成本低，易構成大規模和多功能陣列，這些特點使它們非常適合于汽車方面的應用。

　　1、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的各種傳感器的統稱。它涉及到很多的物理量傳感器和化學量傳感器。這些傳感器要么是使司機了解汽車各部分狀態的；要么是用于控制汽車各部分狀態的。按在汽車上的作用可分為控制發動機、控制底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器，構成這些傳感器的材料有精細陶瓷、半導體材料、光導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字型傳感器；按構成原理來分，有結構型、韌性型和復合型。為方便起見，現按汽車傳感器的控制對象來分類，如表1所示。

　　2、微型傳感器在汽車中的應用

　　汽車上用的傳感器的種類很多，應用的方面很廣。下面介紹傳感器在汽車發動機控制、安全系統、車輛監控和自診斷等方面的應用。

　　2.1汽車發動機控制用傳感器

　　發動機的電子控制一直被認為是MEMS技術在汽車中的主要應用領域之一。發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器的核心，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：這些傳感器向發動機的電子控制單元提供發動機的工作狀況信息，供電子控制單元對發動機工作狀況進行精確控制，以提高發動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。

　?。?）溫度頂替傳感器

　　汽車用溫度傳感器主要用于檢測發動機溫度、吸入氣體溫度、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3種主要類型。這3種類型傳感器各有特點，其應用場合也略有區引。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應特性較好，但線性差、適應溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為—50～30℃，精度為1.5%，響應時間為10ms；高溫型為600～1000cC，精度為5%，響應時間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應特性差；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實用化的產品有鐵氧體式溫度傳感器（測溫范圍為-40～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器（測溫范圍為-40～150℃，精度為2.0%，5%，響應時間約20ms）等。

?????（2）壓力傳感器

　　壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器，主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統流體壓力、注入燃料壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統的流體壓力等。目前。致力于汽車用壓力傳感器開發和生產的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器，LucasNovasensor，HiStat，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、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓，測量范圍為20～100kPa，其特點是輸入能量高，動態響應特性好、環境適應性好；壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大，需要另設溫度補償電路，但適應于大批量生產；差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數字輸出，但抗干擾性差；聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數字輸出等特點，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩定地工作。

　　德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KPS00內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，可以在汽車啟動時自動開機進入自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機械加工技術集成在0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）上。每個傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲器中存儲著唯一的32位芯片識別碼。芯片識別碼可以由同步串行接口讀出，而且，可以用于辨識各個輪胎壓力傳感器的位置。在接收數據的時候，首先，要檢查芯片識別碼，如果發現芯片識別碼不符，就放棄收到的數據幀。

　?。?）流量傳感器

　　流量傳感器主要用于發動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數之一?？諝饬髁總鞲衅鞯墓δ埽焊兄諝饬髁康拇笮?，并轉換成電信號傳輸給發動機的電子控制單元?？諝饬髁康臏y量用于發動機控制系統確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等?？諝饬髁總鞲衅饔行D翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g指標：工作范圍為0.11～103m3/min，工作溫度為—40～120℃，精度≤1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有水輪式和循環球式，其動態范圍為0～60kg/h，工作溫度為—40～12℃，精度為±1%，響應時間<10ms。

　　Honeywell的下屬微開關（microswitch）公司用熱微細加工技術制作出了微橋式空氣流量傳感器芯片，它用微細加工技術在硅圓片上加工出空腔，鉑電阻懸掛在空腔之上。當空氣流過器件時，發生了從空氣流動方向下方到上方的熱傳輸，因而，下方電阻被冷卻，上方電阻被加熱，由電橋電阻變化可測量出空氣流量。

　?。?）位置和轉速傳感器

　　曲軸位置與轉速傳感器主要用于檢測發動機曲軸轉角、發動機轉速、節氣門的開度、車速等，為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號，同時，提供發動機轉速信號。目前，汽車使用的位置和轉速傳感器主要有交流發電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開關式、光學式、半導體磁性晶體管式等，其測量范圍為0°～360°，精度優于±0.5°，測彎曲角達±0.1°。

　　車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的，還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高于100km/h時，一般測量方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍為0.5—250km/h，重復精度為0.1%，距離測量誤差優于為0.3%。

　　（5）氣體濃度傳感器

　　氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，它檢測汽車尾氣中的氧含量，根據排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機控制裝置發出反饋信號，以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺傳感器（使用溫度為-40～900℃，精度為1%）、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器（使用溫度為300～800℃）、固體電解貢式氧化鉻氣體傳感器（使用溫度為0～400℃.精度為0.5%），另外，還有二氧化鈦氧傳感器以及二氧化鋯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結構簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點：二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩定氧化鋯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化鈀厚膜參數電極、不透水層、電極接觸和保護層構成。其中，氧化鈣穩定氧化鋯由反應濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝制作。在理想的A/F點附近的輸出電壓發生驟變，當空燃比變高，廢氣中的氧濃度增加時，氧傳感器的輸出電壓減??；當空燃比變低，廢氣中的氧濃度降低時，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號，對噴油量進行修正，從而相應地調節空燃比，使其在理想空燃比附近變動。

　2.3車輛監控和自診斷用傳感器

　　在車輛監控和自診斷方面，MEMS技術的一個主要應用將是輪胎壓力監測；其次是應用于冷卻、剎車等系統的傳感器。此外，還有如像在亮度控制系統中使用光傳感器；在電子駕駛系統中使用磁傳感器、氣流速度傳感器；在自動空調系統中使用室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器；在導向行駛系統中使用方位傳感器、車速傳感器等。

　　2.4高溫微電子在汽車中的應用

　　高溫微電子在汽車發動機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動力管理及分配等方面的監控中都起著非常重要的作用。例如：用于發動機控制的高溫微電子傳感器和控制器將有助于燃燒的更好監測和控制，它將使燃燒的更加徹底，提高燃燒效率。但是，用傳統的硅半導體技術制作的微電子器件由于不能在很高的溫度下工作，已不能勝任。為了解決在高溫環境下溫度測量問題，必須研制一種新的材料來取代傳統的半導體材料。第三代寬能帶半導體材料SiC具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速率、高熱導率及抗輻照能力強等一系列優點，特別適合制作高溫、高壓、高功率、耐輻照等半導體器件。集成的SiC傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸，這樣，能進一步獲得有關燃料燃燒效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明：一旦SiC半導體技術能解決好材料、封裝等技術而得到進一步的發展，SiC功率器件的工作范圍將超過傳統的硅功率器件，而且，其體積比Si功率器件也要小。

　　3、結束語

　　由于汽車傳感器在汽車電子控制系統中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應用和新產品開發都非常重視。未來的汽車用傳感器技術，總的發展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。

　　基于MEMS技術的微型傳感器在降低汽車電子系統成本及提高其性能方面的優勢，它們已開始逐步取代基于傳統機電技術的傳感器。隨著納米技術的進步，體積更小、造價更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應用在汽車的各個方面。在未來幾年內，包括發動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、剎車防抱死系統、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統在內的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。