侯偉

(江西銅業(yè)集團(貴溪)物流有限公司，江西貴溪 335424)

關(guān)于智能傳感器與汽車電子的分析

侯偉

(江西銅業(yè)集團(貴溪)物流有限公司，江西貴溪 335424)

目前隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進入了一個有本質(zhì)性提高的新階段。其中最具有代表性的核心器件之一就是智能傳感器。智能傳感器是裝有微處理器的、能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲、還能進行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器是傳感器集成化與微處理器結(jié)合的新一代電子器件，具有自動補償、自動校準、自動診斷、數(shù)據(jù)處理、通信等功能。智能傳感器能對信息進行處理、分析和調(diào)節(jié)，能對所測量數(shù)值及其誤差進行補償，能借助軟件對非線性信號進行線性化處理，還能利用軟件實現(xiàn)非線性補償或其它更復(fù)雜的環(huán)境補償。

現(xiàn)代汽車電子;電子信息技術(shù);車內(nèi)電子系統(tǒng);微傳感器;智能傳感器

1 引言

近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速，發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現(xiàn)了一些專家的預(yù)測:汽車工業(yè)有可能超過IT產(chǎn)業(yè)，成為中國國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一［1］。其實，汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的IT產(chǎn)業(yè)的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量只占10%～15%左右，但國外汽車中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量平均約為22%，中、高檔轎車中汽車電子已占30%以上，而且這個比例還在不斷地快速增長，預(yù)期很快將達到50%。

2 汽車電子操控和安全系統(tǒng)談起

電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導(dǎo)因素，汽車(機動車)的動力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個方面的改進和提高，都將依賴于機械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結(jié)合［2］。汽車工程界專家指出:電子技術(shù)的發(fā)展已使汽車產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產(chǎn)業(yè)界對汽車電子空前關(guān)注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內(nèi)音響、視頻裝備，車用通信、導(dǎo)航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等車內(nèi)電子設(shè)備的本質(zhì)改變較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件(包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等)到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進入了一個有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器(智能執(zhí)行器、智能變送器)。

實際上，汽車電子［3］已經(jīng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段:從分立電子元器件搭建的電路監(jiān)測控制，經(jīng)過了電子元器件或組件加微處理器構(gòu)筑的各自獨立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)進入了采用高速總線(目前至少有5種以上總線已開發(fā)使用)，統(tǒng)一交換汽車運行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)綜合、智能調(diào)控的新階段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個電子控制單元(ECU)組成，可以獨立操控，同時又能協(xié)調(diào)到整體運行的最佳狀態(tài)。

還可以舉一個安全駕駛方面的例子，出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應(yīng)用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置(ABS)外，許多轎車，包括國產(chǎn)車，已增設(shè)了電子動力分配系統(tǒng)(EBD)，ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性［4］?，F(xiàn)在，國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)(EBA)，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，并判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要，就會自動增大制動力。EBA的自控動作必須在極短時間(例如百萬分之一秒級)內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉(zhuǎn)速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”(ETC)系統(tǒng)等。

從以上列舉的兩個例子可以清楚看到，汽車發(fā)展對汽車電子的一些基本要求:

(1)電子操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器(+調(diào)理電路)+微處理器，然后再通過微處理器(+功率放大電路)+執(zhí)行器的技術(shù)途徑已經(jīng)不再能滿足現(xiàn)代汽車的要求，需要通過硬件集成、直接交換數(shù)據(jù)和簡化電路，并提高智能化程度來確?？刂茊卧獎幼鞯恼_性、可靠性和適時性。

(2)現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機械結(jié)構(gòu)部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內(nèi)的空間有限，構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應(yīng)與受控制部件緊密結(jié)合，形成一個整體。因此器件和電路的微型化、集成化是不可回避的道路。

(3)電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安全氣囊為例，它在關(guān)鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開，但在極大多數(shù)時間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài)，因此安全氣囊的ECU必須具有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性，確保動作的“萬無一失”。

(4)汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性，并且，對電子產(chǎn)品而言，大多處于非常惡劣的運行環(huán)境中，而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時的高溫，靜止待命時的低溫，高濃度的油蒸汽和活性(毒性)氣體，以及高速運動和高強度的沖擊和振動等。因此，電子元器件和電路必須要有高穩(wěn)定、抗環(huán)境和自適應(yīng)、自補償調(diào)整的能力。

(5)與上述要求同樣重要，甚至有時是關(guān)鍵性的條件是，汽車電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，并能將成本降低到可接受的程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。例如智能加速度傳感器，它不僅能較好地滿足現(xiàn)代汽車的各項需要，而且因為可以在集成電路標準硅工藝線上批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低(幾美元至十幾或幾十美元)，所以在汽車工業(yè)中找到了自己最大的應(yīng)用市場，反過來也有力地促進了汽車工業(yè)的電子信息化。

3 智能傳感器:微傳感器與集成電路融合的新一代電子器件

微傳感器、智能傳感器是近幾年才開始迅速發(fā)展起來的新興技術(shù)［5］。在我國的報刊雜志上目前所使用的技術(shù)名稱還比較含混，仍然籠統(tǒng)地稱之為傳感器，或者含糊地歸納為汽車半導(dǎo)體器件，也有將智能傳感器(或智能執(zhí)行器、智能變送器)與微系統(tǒng)、MEMS等都歸入了MEMS(微機電系統(tǒng))名稱下的。這里介紹當前一些歐美專著中常用的技術(shù)名詞的定義和技術(shù)內(nèi)涵。

首先必須說明的是，在絕大多數(shù)情況下，本文大小標題及全文中所說的傳感器其實是泛指了三大類器件:將非電學輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)換成電磁學信號輸出的傳感器;將電學信號轉(zhuǎn)換成非電學參量輸出的執(zhí)行器;以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器，其中較多的是將一種電磁學參量形式轉(zhuǎn)變成另一種電磁學參量形態(tài)輸出的變送器。就是說，關(guān)于微傳感器、智能傳感器的技術(shù)特性可以擴大類推到微執(zhí)行器、微變送器－傳感器(或執(zhí)行器、或變送器)的物理尺度中至少有一個物理尺寸等于或小于亞毫米量級的。微傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的物理縮小的產(chǎn)物，而是基于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的新一代器件:應(yīng)用新的工作機制和物化效應(yīng)，采用與標準半導(dǎo)體工藝兼容的材料，用微細加工技術(shù)制備的。因此有時也稱為硅傳感器。可以用類似的定義和技術(shù)特征類推描述微執(zhí)行器和微變送器。它由兩塊芯片組成，一是具有自檢測能力的加速度計單元(微加速度傳感器)，另一塊則是微傳感器與微處理器(MCU)間的接口電路和MCU。這是一種較早期(1996年前后)的，但已相當實用的器件，可用于汽車的自動制動和懸掛系統(tǒng)中，并且因微加速度計具有自檢能力，還可用于安全氣囊。從此例中可以清楚看到，微傳感器的優(yōu)勢不僅是體積的縮小，更在于能方便地與集成電路組合和規(guī)模生產(chǎn)。應(yīng)該指出的是，采用這種兩片的解決方案可以縮短設(shè)計周期、降低開發(fā)前期小批量試產(chǎn)的成本。但對實際應(yīng)用和市場來說，單芯片的解決方案顯然更可取，生產(chǎn)成本更低，應(yīng)用價值更高。

智能傳感器(Smart Sensor)、智能執(zhí)行器和智能變送器－微傳感器(或微執(zhí)行器，或微變送器)和它的部分或全部處理器件、處理電路集成在一個芯片上的器件(例如上述的微加速度計的單芯片解決方案)［5］。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運算、主動鑒別環(huán)境，自動調(diào)整和補償適應(yīng)環(huán)境的能力，自診斷、自維護等。顯然，出于規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的要求，智能傳感器的設(shè)計思想、材料選擇和生產(chǎn)工藝必須要盡可能地和集成電路的標準硅平面工藝一致?？梢栽谡９に嚵鞒痰耐度肭埃蛄鞒讨?，或工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應(yīng)太多。

在一個封裝中，把一只微機械壓力傳感器與模擬用戶接口、8位模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR)、微處理器(摩托羅拉69HC08)、存儲器和串行接口(SPI)等集成在一個芯片上。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細加工技術(shù)制作的。制備硅壓力傳感器的工序既可安排在集成CMOS電路工藝流程之前，亦可在后。這種智能壓力傳感器的技術(shù)和市場都已成熟，已廣泛用于汽車(機動車)所需的各式各樣的壓力測量和控制單元中，諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。智能壓力傳感器的應(yīng)用很廣，不局限于汽車工業(yè)。目前，生產(chǎn)智能壓力傳感器的廠商已不少，市售商品的品種也很多，已經(jīng)出現(xiàn)激烈的競爭。結(jié)果是智能壓力傳感器體積越來越小，隨之控制單元所需的外圍接插件和分立元件越來越少，但功能和性能卻越來越強，而且生產(chǎn)成本降低很快。

順便需要說說的是，在一些中文資料中，尤其是一些產(chǎn)品宣傳性材料中，籠統(tǒng)地將Smart Sensor(或device)和Intelligent sensor(或device)都稱之為智能傳感器，但在歐美文獻中是有所差別的。西方專家和公眾通常認為，Smart(智能型)傳感器比Intelligent(知識型)的智慧層次和能力更高。當然，知識型的內(nèi)涵也在不斷進化，但那些只能簡單響應(yīng)環(huán)境變化，作一些相應(yīng)補償、調(diào)整工作狀態(tài)的，特別是不需要集成處理器的器件，其知識等級太低，一般不應(yīng)歸入智能器件范疇。

相信大多數(shù)讀者能經(jīng)常接觸到的，最貼近生活的智能傳感器可能要算是用于攝像頭、數(shù)碼相機、攝像機、手機攝像中的CCD圖像傳感器了。這是一種非智能型傳感器莫屬的情況，因為CCD陣列中每個硅單元由光轉(zhuǎn)換成的電信號極弱，必須直接和及時移位寄存、并處理轉(zhuǎn)換成標準的圖像格式信號。還有更復(fù)雜一些的，在中、高檔長焦距(IOX)光學放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學防抖系統(tǒng)，特別是高端產(chǎn)品中的真正光學防抖系統(tǒng)。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計或微陀螺儀，通過它監(jiān)測機身的抖動，并換算成鏡頭的各軸向位移量，進而驅(qū)動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。

微系統(tǒng)(Microsystem)和MEMS(微機電系統(tǒng))－由微傳感器、微電子學電路(信號處理、控制電路、通信接品等)和微執(zhí)行器構(gòu)成一個三級級聯(lián)系統(tǒng)、集成在一個芯片上的器件稱之為微系統(tǒng)。如果其中擁有機械聯(lián)動或機械執(zhí)行機構(gòu)等微機械部件的器械則稱之為MEMS［6］。

MEMS芯片的左側(cè)給出的是制備MEMS芯片需要的基本工藝技術(shù)。它的右側(cè)則為主要應(yīng)用領(lǐng)域列舉。很明顯，MEMS的最好解決方案也是選用與硅工藝兼容的材料及物理效應(yīng)、設(shè)計理念和工藝流程，也即采用常規(guī)標準的CMOS工藝與二維、三維微細加工技術(shù)相結(jié)合的方法，其中也包括微機械結(jié)構(gòu)件的制作。

微傳感器合乎邏輯的發(fā)展延伸是智能傳感器，智能傳感器自然延伸則是微系統(tǒng)和MEMS，MEMS的進一步發(fā)展則是能夠自主接收、分辨外界信號和指令，進而能獨立、正確動作的微機械(Micromachines)?，F(xiàn)在，開發(fā)成功、并已有商業(yè)產(chǎn)品的MEMS品種已不少，涵蓋各大領(lǐng)域。其中包括全光光通信和全光計算機的關(guān)鍵部件之一的二維、三維MEMS光開關(guān)。

通過控制芯片上的微反射鏡陣列，實現(xiàn)光輸入/輸出的交叉互聯(lián)。這是目前全光交換技術(shù)的成熟的最佳方案。市場上可買到的MEMS光開關(guān)已達1296路，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間約為20ms。

4 結(jié)束語

微機械(也稱為納米機械)則尚處于開發(fā)試驗階段，但已有許多很重要的實驗室產(chǎn)品涌現(xiàn)，如著名的納米電機、微昆蟲、微直升機和潛水艇等。技術(shù)產(chǎn)業(yè)界普遍認為，它們的開發(fā)成功和投入實際應(yīng)用將對工業(yè)技術(shù)和生活質(zhì)量產(chǎn)生深遠的影響［7］。

［1］王旭東.淺談中國汽車工業(yè)在世界汽車工業(yè)體系中的發(fā)展趨勢［J］.甘肅科技縱橫，2010，39(2):16－17.

［2］朱敏，高加泉.淺談現(xiàn)代汽車電子信息技術(shù)的發(fā)展［J］.南方農(nóng)機，2008，(6):44－45，43.

［3］莊彥霞.汽車電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢淺析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(02):50－52.

［4］胡學英.基于ABS硬件系統(tǒng)的汽車EBD控制策略［J］.太原大學學報，2007，8(3):129－130.

［5］陳廣輝.關(guān)于智能傳感器與汽車電子的分析［J］.中小企業(yè)管理與科技，2010(16):235－236.

［6］呂良，鄧中亮，劉玉德.基于MEMS的智能集成汽車傳感器的研究［J］.北京工商大學學報(自然科學版)，2007(4):18－22.

［7］徐祥紅，周宇，陸麗俐，等.微機電系統(tǒng)(MEMS)在汽車中的應(yīng)用［C］//2007年中國汽車工程學會年會論文集.北京:機械工業(yè)出版社，2007:1235－1236.

Analysis on Smart Sensors and Automotive Electronics

HOU Wei

(JCC(Guixi)Logistics Co.Ltd.，Jiangxi Copper Corporation，Guixi，Jiangxi 335424，China)

With the development of China＇s automobile industry，automotive electronics from electronic components application to vehicle electronic systems＇structure have entered a substantial improvement new stage.One of the most representative core devices is smart sensor.The intelligent sensor is sensor system，which equipped with a microprocessor;it can implement information performing and information storage，also can do logical thinking and conclusion judgment.Smart sensor is a sensor integrated microprocessor combined with a new generation of electronic devices，automatic compensation，automatic calibration，automatic diagnosis，data processing，communications and other functions.Smart sensor also can do information processing，analysis and adjustment;it can compensate the measurement error and use software to do linearization treatment for no－linear signal;realize no－linear compensation and other more complex environmental compensation by software.

modern automotive electronics;electronics and information technology;the vehicle electronic systems;micro－sensor;smart sensors

TP212.9;U463.6

B

1009－3842(2012)05－0071－04

2012－06－17

侯偉(1981－)，男，河南駐馬店人，主要從事設(shè)備管理工作。E－mail:495603320@qq.com