葉軍紅

（森薩塔科技常州有限公司，江蘇 常州 213000）

隨著汽車電氣化和智能化的發(fā)展，汽車系統(tǒng)越來越多地使用各種不同種類的傳感器和控制系統(tǒng)來提高汽車的安全性、舒適性和可靠性。

汽車傳感器作為信息采集源，主要應(yīng)用于動力總成系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)以及底盤系統(tǒng)中，對汽車的安全性、燃油效率和排放友好性具有重要意義，對汽車的速度、排放、動力總成、懸架、氣候控制、環(huán)境控制等起著至關(guān)重要的作用。汽車傳感器主要包括8類不同功能的傳感器：壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和輪速傳感器。

1 壓力傳感器

壓力傳感器在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要用于測量進(jìn)氣歧管、油箱、共軌、燃油噴射、制動液、空調(diào)壓縮機(jī)、底盤、自適應(yīng)懸架液壓、輪胎的壓力，其應(yīng)用的壓力范圍為0~3000Bar。在點(diǎn)火和燃油控制系統(tǒng)中，由于壓力傳感器起著重要的作用，因此其在汽車行業(yè)的應(yīng)用中具有重要意義。表1為壓力傳感器的力敏元件的類型和特點(diǎn)。

表1 壓力傳感器的力敏元件的類型和特點(diǎn)

目前主要的壓力傳感器技術(shù)［1］類型分為電容式、電感式、電位式、電阻式和壓電式，其中陶瓷電容式和電阻應(yīng)變片式（金屬濺射應(yīng)變片，硅應(yīng)變片和硅壓阻式）是汽車行業(yè)最常用的壓力傳感器技術(shù)。

2 溫度傳感器

溫度傳感器［2-5］在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要用于測量進(jìn)氣歧管、燃油、冷卻液、尾氣的溫度，在汽車應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，其應(yīng)用的溫度范圍為40~1500℃，見表2。目前主要的溫度傳感器的技術(shù)類型分為集成溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶和熱電阻（RTD）。

表2 溫度傳感器的熱敏元件的類型和特點(diǎn)

集成溫度傳感器將PN結(jié)等感溫元件集成在硅片上，可在-55~150℃的溫度范圍內(nèi)具有較高的精度，較好的穩(wěn)定性和可靠性，良好的線性度，具有電流、電壓、數(shù)字3種形式的輸出方式。相較于其他溫度傳感器，硅集成芯片溫度傳感器具有很好的成本效益。

熱敏電阻的傳感技術(shù)依賴于NTC或PTC特性電阻的陶瓷氧化物復(fù)合材料的制造，隨溫度變化而增加或減少。

熱敏電阻是半導(dǎo)體電阻，其電阻相對于溫度呈非線性變化，對溫度變化高度敏感從而具有極好的精度，因此要快速獲得響應(yīng)，可以使用小型熱敏電阻。

RTD溫度傳感器通常將正溫度系數(shù)金屬（如鉑）粘接在陶瓷上，其電阻隨著溫度升高而增加。RTD溫度傳感器可以測量240~1000℃，具有良好的線性、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、高精度和使用壽命，但RTD溫度傳感器與其他溫度感應(yīng)技術(shù)相比，其生產(chǎn)成本很高。

3 氣體濃度傳感器

氣體傳感器［6-9］在汽車行業(yè)有兩個(gè)主要應(yīng)用方向：①測量排放廢氣中氧氣的濃度，通過在排放控制系統(tǒng)上安裝氧傳感器，從而對有毒廢氣的排放量進(jìn)行監(jiān)測和控制；②測量排放廢氣中碳氧化物、氮氧化物和氫氣等其他廢氣的濃度。

氧傳感器用于測量排放廢氣中氧氣的濃度，從而保證合適的空燃比。目前主要的氧傳感技術(shù)類型分為氧化鋯、氧化鈦和氧化錫。

汽車中常用的另一種氣體傳感器是空氣質(zhì)量傳感器。它將檢測其他氣體的濃度，如CO和NO在空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)氣?？諝赓|(zhì)量傳感器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。金屬氧化物（SnO2，ZrO2、TiO2）氣體傳感器在微結(jié)構(gòu)固態(tài)硅半導(dǎo)體技術(shù)中的原理圖如圖5所示。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是被測氣體靈敏度高、壽命長、生產(chǎn)成本低、對溫度和濕度的依賴性小。

由于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）金屬氧化物氣體傳感器具有成本低、功耗低、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)（表3），廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的大批量生產(chǎn)。

表3 氣體傳感器的氣敏元件的類型和特點(diǎn)

4 位置傳感器

位置傳感器［10］在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要用于測量發(fā)動機(jī)節(jié)氣門角度、轉(zhuǎn)向盤角度、燃油液位、加速度計(jì)和制動踏板位置、變速桿位置、變速器齒輪位置、可變氣門位置、離合器位置、電機(jī)位置、座位位置和廢氣再循環(huán)（EGR）閥位置。

基于傳感技術(shù)的位置傳感器（表4）分為基于電阻或電位的位置傳感器、基于霍爾效應(yīng)的磁性位置傳感器、電容式位置傳感器、光學(xué)位置傳感器、各向異性磁阻（AMR）位置傳感器、巨磁阻（GMR）位置傳感器和磁致伸縮線性位置傳感器。

表4 位置傳感器的類型和特點(diǎn)

電位計(jì)式位置傳感器與運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行物理接觸來獲取目標(biāo)物的位置信息，這是它的主要缺點(diǎn)（易磨損），但在各種類型的位置傳感器中是最便宜的位置傳感器。

霍爾效應(yīng)位置傳感器利用了一個(gè)磁路的特性，其中霍爾電壓是作用在傳感器上的磁通密度和施加在傳感器上的偏置電流之間角的函數(shù)?；魻栃?yīng)位置傳感器得益于其低成本，但它們只能用于開關(guān)類型的應(yīng)用，不能提供運(yùn)動目標(biāo)的詳細(xì)位置信息。

各向異性磁阻位置傳感器的工作原理是：當(dāng)外部磁場相對于傳感器元件旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器的電阻發(fā)生變化。另一方面，巨磁阻位置傳感器的工作原理是直接檢測磁場，而不是依賴于磁場的變化率。

5 速度傳感器

在汽車應(yīng)用中，速度傳感器［11-13］用于測量發(fā)動機(jī)曲軸、凸輪軸和車輪速度。轉(zhuǎn)速傳感器對發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用，因此利用轉(zhuǎn)速傳感器精確檢測凸輪和曲柄的位置是十分必要的。速度傳感器還可用于控制變速器的輸入/輸出，軸速可用于電子控制換擋。測量車輪速度的優(yōu)點(diǎn)是：速度傳感器的輸出可以為車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)提供輸入信號。

用于汽車的速度傳感器應(yīng)該能夠承受惡劣的環(huán)境條件，如高環(huán)境溫度、強(qiáng)振動、污垢和潮濕。在汽車應(yīng)用中，巨磁阻（GMR）效應(yīng)的傳感器因其良好的魯棒性、無接觸以及對灰塵和濕氣的不敏感性而受到青睞。表5為速度傳感器的類型和特點(diǎn)。

表5 速度傳感器的類型和特點(diǎn)

6 空氣流量傳感器

質(zhì)量氣流傳感器［14-15］用于汽車發(fā)動機(jī)中測量進(jìn)入發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)質(zhì)量氣流。發(fā)動機(jī)的燃燒過程可以通過混合適當(dāng)比例的燃料與進(jìn)氣的質(zhì)量流量來控制。因此，對進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣質(zhì)量流量的精確測量有助于確定進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃料流量，從而控制車輛的可駕駛性、性能和成本的排放。

發(fā)動機(jī)中使用的空氣流量傳感器有4種：翼片式空氣流量傳感器、卡曼渦式空氣流量傳感器、熱線式空氣流量傳感器和熱膜式流量傳感器。表6為空氣流量傳感器的類型和特點(diǎn)。目前主流的空氣流量的測量主要分為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/空氣密度法、直接測量空氣質(zhì)量流量法和真實(shí)測量空氣質(zhì)量流量法。

表6 空氣流量傳感器的類型和特點(diǎn)

7 慣性傳感器

慣性傳感器提供了確定車輛運(yùn)動狀態(tài)的信息，在安全和底盤控制系統(tǒng)這兩種不同的汽車應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。用于安全系統(tǒng)的慣性傳感器可以用表面蝕刻技術(shù)開發(fā)，用于底盤控制系統(tǒng)的慣性傳感器可以用批量微加工技術(shù)開發(fā)。

汽車陀螺儀［16-17］是應(yīng)用廣泛的慣性傳感器，涉及MEMS技術(shù)、ASIC技術(shù)、微加工與半導(dǎo)體技術(shù)、模擬與數(shù)字信號處理、電子集成與封裝、電子網(wǎng)絡(luò)接口等技術(shù)。陀螺儀廣泛應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)中，品質(zhì)和可靠性是最重要的，以避免意外車輛移動而危及乘客。陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是體積小、單位設(shè)備生產(chǎn)成本低。表7為慣性傳感器的類型和特點(diǎn)。

表7 慣性傳感器的類型和特點(diǎn)

8 結(jié)束語

推動傳感器在汽車行業(yè)應(yīng)用的主要因素是法規(guī)、安全、舒適方便和最佳的駕駛性能，因此傳感器在動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和舒適方便系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。由于用戶在安全、舒適和方便方面的需求不斷增長，傳感器在汽車市場的前景是廣闊的。本文對MEMS汽車傳感器進(jìn)行了廣泛研究，這些傳感器用于測量汽車中的溫度、壓力、氣體濃度、速度、慣性、質(zhì)量氣流速率，并將在未來廣泛地應(yīng)用在汽車行業(yè)中。