主頁 > 技術文章（zhāng） > 智能（néng）傳感器與現代（dài）汽車電子 2024-10-18

智能傳感器與現代汽車電子

現代汽（qì）車電子（zǐ）從所應（yīng）用的電子元器件到車內電子係統的架構（gòu）均已進（jìn）入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代表性的核心器（qì）件之一（yī）就是智能傳感器。
一、汽車電（diàn）子操（cāo）控和安全係統談起：
近幾年來我國汽（qì）車工業增長迅速，發展勢頭很猛。因此評論界出現了一些專家的預測：汽車工業有可能（néng）超過IT產業，成為（wéi）中國（guó）國民（mín）經濟最重要（yào）的（de）支（zhī）柱產業之一。其實，汽車工業（yè）的增長必將包含與（yǔ）汽車產業相關的（de）IT 產業的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產品中電子產品和技術的（de）價值含量隻占10%—15%左右，但國（guó）外汽（qì）車中電子產品和技術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（lì）還在、不斷地快速增長，預期很快將達到50%。
電子信（xìn）息技術（shù）已經成為新一代汽車發展方向的主導因素，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麵的改進和提（tí）高，都將依賴於機械（xiè）係統（tǒng）及結（jié）構和電子產（chǎn）品、信息技術間的完（wán）美結合。汽車（chē）工程界專家指出：電（diàn）子技術的發展已使汽車產品的概念發生了深刻（kè）的變（biàn）化。這也是最近電子信息產業界對汽車電（diàn）子空前關注的原因之一（yī）。但是，必須指出（chū）的是，除了一些車內音響、視頻裝備，車用通信、導航係（xì）統，以及車載辦公係統、網絡（luò）係統等車內電子設備（bèi）的本質改變較少外，現代汽車電子從所應用的電子元（yuán）器件（包（bāo）括傳感器、執行器、微電路等）到車內電子係統的架（jià）構均已進入了一個有本質性提高的新階段（duàn）。其中最（zuì）有代表性的核心器（qì）件之一就是智能傳感器（智能執行器、智能變送器）。
實際（jì）上，汽車電子已經經曆了幾個（gè）發展階段：從分立電子元器件搭建（jiàn）的（de）電（diàn）路監測控製，經（jīng）過了電子元器件或組件加微處理器構築的各自獨立的、專用的（de）、半自動和自動的操控係統，現在已（yǐ）經進入了采用高速總線（目前至少有5種以上總線（xiàn）已開發使用），統（tǒng）一交換汽車運行中的各種電子裝備和係統的（de）數據，實（shí）現綜合、智能調控（kòng）的（de）新階段。新的汽車電子係統由各個電子控製單元（ECU）組成，可（kě）以獨立操控，同時又能協調到整體運行的最佳狀態。例如為使發動機處於（yú）最佳（jiā）工作狀（zhuàng）態，就需（xū）要（yào）從（cóng）吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開始（shǐ），再根據水溫、空氣（qì）溫度等工作環境參數計算出基本噴（pēn）油量，同時還要通過節氣（qì）門位置傳感器檢測節氣門的開度，確定發動機的（de）工況，進而控製，調整最佳噴油量，最後（hòu）還（hái）需要通過曲軸的角速度傳感器監測曲軸轉角和發動機轉（zhuǎn）速，最終計算出並（bìng）發（fā）出最佳點火時機（jī）的指令。這個發動機燃油噴射係統和點火（huǒ）綜合控製（zhì）係統還可以與廢（fèi）氣排放的監控係統和起動係統（tǒng）等（děng）組合，構築成可使汽車發動機功率和扭矩最大化，而同時燃油消耗和廢氣（qì）排放最低化的智（zhì）能係統。
還可以舉一個安全駕（jià）駛方麵的例子，出於平穩、安全駕駛的需要，僅隻針對四個輪子的操控上，除了應用大量壓力傳感器並（bìng）普遍安裝（zhuāng）了刹車防抱死（sǐ）裝置（ABS）外，許多轎車，包括國產車（chē），已增設了電子動力分配係統（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩定性。現在，國內外的一些汽（qì）車進一步加裝了緊急刹車輔助係統（EBA），該係統在發生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩製動踏板時的速（sù）度和力度，並判（pàn）斷（duàn）緊急製動的力度是否（fǒu）足夠，如果需要，就會自動增大製動力。EBA 的自控動作必須在極短時間（例如百萬分之一秒級）內完成。這個（gè）係統（tǒng）能使（shǐ）200km/h高速行駛車輛的製動（dòng）滑（huá）行距離縮短極其寶（bǎo）貴的20多米。針對車輪的還有（yǒu）分別監測各（gè）個車輪相（xiàng）對於車速的轉速（sù），進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡（è）劣路麵條件下各（gè）輪間（jiān）具有良好的均衡抓地能力的“電子牽（qiān）引力控製”（ETC）係統等。
從以上列舉的兩個例子可以清楚（chǔ）看到，汽（qì）車發展對汽車電子的一些基本要求：
1．電（diàn）子操控係統的動作必須快（kuài）速、正確、可靠。傳感（gǎn）器（qì）（+調理電路）+微處理器，然後再通過微處理器（qì）（+功率放大電路）+執行器的技術途徑已經不再能滿足現代汽車的要求，需要通過硬件集成、直接交換數據（jù）和簡化電路，並提高智能化程度來確保控製單元動作的正確性、可靠（kào）性和適時性。
2．現在幾乎所有的汽車的（de）機械結構部（bù）件都已受電子裝置控製，但汽車車體內的空間（jiān）有限，構件係統的空間更是極其（qí）有限。理想的情況當然是，電子控製單元應與受控製部件緊密結合，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（kòng）製單元必須具有足（zú）夠的智能化程度。以安全氣囊為例，它在關鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開，但在（zài）極大多數時間內氣（qì）囊是處在待命狀態，因此安全氣囊的ECU 必須具（jù）有自檢、自維護能力，不斷（duàn）確（què）認氣囊係統的可（kě）正常（cháng）運作的可靠（kào）性，確保動作的“萬無一失（shī）”。
4．汽車的各種功能部（bù）件都有（yǒu）各自的運動（dòng）、操控特性，並且，對電子（zǐ）產（chǎn）品（pǐn）而言，大多處於非常惡劣的（de）運行（háng）環境中，而且各不相同。諸如工作狀態時的高溫，靜止待命時（shí）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衝擊和振動等。因此，電子（zǐ）元器件和電路必（bì）須要有高穩（wěn）定、抗環境和自適應、自補償調整的能力。
5．與上述要求同（tóng）樣重要，甚至有時（shí）是關鍵性的條（tiáo）件是，汽車電子控製單（dān）元（yuán）用的電子元器件、模塊必須要能大規模工業（yè）生產，並能（néng）將成本降低到可接受的程（chéng）度。一些微傳感器（qì）和智能傳感器就（jiù）是這方麵（miàn）的典範。例如智能加速度傳感器，它不僅（jǐn）能較好地滿足現（xiàn）代汽車的各項需要，而且因為可（kě）以在集成電路標準矽工藝線上批（pī）量（liàng）生產，生產成本較低（幾美元至十幾（jǐ）或幾十美元），所（suǒ）以（yǐ）在汽車工業中找到了自己最大的應用市場，反過來也有力地促進了汽車工業（yè）的電子信息化。
二、智（zhì）能（néng）傳感器：微傳感器與集成電路融（róng）合的新一代電子器件：
微傳感器、智能（néng）傳感器是近幾年才開始（shǐ）迅（xùn）速發展起來的新興技（jì）術。在我國的報刊雜誌上目（mù）前所使（shǐ）用的技術（shù）名稱還比較含混，仍然籠統地稱之為傳感器，或者含（hán）糊地歸納為汽車半（bàn）導體器件（jiàn），也有將智能傳感器（或智能（néng）執行器、智能變送器）與微係統、MEMS等都歸入了MEMS （微（wēi）機電係統）名稱（chēng）下的。這裏介紹當前一些歐（ōu）美專著中常用的（de）技術名詞的（de）定義和技術內涵（hán）。
首先必須說明的是，在絕大多數情況下，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：將非電學輸入參量轉換（huàn）成電磁學（xué）信（xìn）號輸出（chū）的傳感器；將電學（xué）信號轉換成非電學參量輸出的執行器；以（yǐ）及既能用作傳感（gǎn）器又能（néng）用作執行器，其中較多的是將一（yī）種電磁學參量形式轉變成另一種電磁學參量形態輸出的變送器。就是說，關（guān）於微傳感器（qì）、智能傳感器的技術特（tè）性（xìng）可以擴大類推到微執行器、微（wēi）變送器-傳感器（或執行器、或變送器）的物理尺度中至（zhì）少（shǎo）有（yǒu）一（yī）個物理尺寸等於（yú）或小於亞毫米量級的。微傳感器不是傳統傳感器簡單的物（wù）理（lǐ）縮小的產物，而是基於半導體工藝技術的新一（yī）代器件：應用新的工作機製和物化效應，采用與標準半導體工（gōng）藝兼容的材料，用微細加工技術製備的。因此有時也稱為矽傳感（gǎn）器。可以用類似的定（dìng）義和技（jì）術特征類推描述微執行器和（hé）微變送器。
它由兩塊芯片組成，一是具有自檢測能（néng）力的加速度計（jì）單元（微加速度（dù）傳感器），另一（yī）塊則是（shì）微傳感器與微處（chù）理器（qì）（MCU）間的接口電路（lù）和MCU。這是一種較早期（1996年前後）的，但已相當實用的器件，可用於汽車的自動製動和懸掛係統（tǒng）中，並且因微加速度計具有自檢能力，還可用於安全氣囊。從此例中（zhōng）可以清楚看到（dào），微傳感器的優勢不僅是體積（jī）的縮小，更在於能方便地與集成電路組合和規模生產。應（yīng）該指的是，采用（yòng）這種兩片的解決方案（àn）可以縮短設計（jì）周期（qī）、降低開發前期小批量試產的成本。但對（duì）實際應用和市場來（lái）說，單芯片的解決方案顯然更可取，生產成本更低，應用價值更高。
智能傳感器（Smart Sensor）、智能執行器和（hé）智能變送器-微傳感器（qì）（或微執行器，或微變送器）和（hé）它（tā）的部分或全部處（chù）理器件、處理電（diàn）路集成在一個（gè）芯（xīn）片上的（de）器件（例如上述的微加速度計的單芯片解決（jué）方（fāng）案）。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運（yùn）算、主動鑒別環（huán）境，自動調整和（hé）補償（cháng）適應環境的能力（lì），自（zì）診斷、自維護等。顯然，出於規（guī）模生產和降低生產成本的要求，智（zhì）能傳感器的設計（jì）思想、材料選擇和生產工藝必須要盡可能地和集成電路（lù）的標（biāo）準矽平麵工藝一致。可（kě）以在正（zhèng）常工藝流程的投片（piàn）前，或流程中（zhōng），或工藝完成後增加一些特殊需要的工序（xù），但也不應太多。
在一個封裝中，把一隻微機（jī）械壓力傳感器與模擬用（yòng）戶接口、8位模-數轉換器（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（qián）端的矽壓力傳感器是采用體矽微細加工技術製作的。製備矽壓力傳感器（qì）的工序既可安排在集成 CMOS 電（diàn）路工藝流程之前，亦可在後。這種智能壓（yā）力（lì）傳（chuán）感器的技術和市場都（dōu）已（yǐ）成熟，已（yǐ）廣泛（fàn）用於汽車（機動（dòng）車）所需的各式各樣的壓（yā）力測量和控製單元中，諸如各種氣壓計、噴嘴前集（jí）流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪（lún）胎（tāi）、液壓傳動裝置（zhì）等（děng）。智能壓力傳感器的應用（yòng）很廣，不局限於汽車工業。目前，生（shēng）產智能壓力傳感器的廠商已不少，市售商品的品（pǐn）種也很多，已經出現（xiàn）激烈的競爭。結（jié）果是智能壓力傳（chuán）感器體積越來越小（xiǎo），隨之控（kòng）製單元所（suǒ）需的外圍接插件和分立元件越來越少，但功（gōng）能和性能卻越來越強，而且生產成本降低很快（現在（zài）約為幾美元一隻）。
順便（biàn）需要說說（shuō）的是，在（zài）一些中文資料中，尤其是一（yī）些產品宣傳性材料中，籠統地將Smart Sensor(或device)和Intelligent sensor（或device）都稱之為（wéi）智（zhì）能傳感器，但（dàn）在歐美文獻中是有所差別（bié）的。西方專家（jiā）和公眾（zhòng）通常認為，Smart（智能型）傳感器比Intelligent(知識型)的智慧層次和（hé）能力更高。當然，知識型的內涵也（yě）在不斷進化，但那些隻能簡（jiǎn）單響應環境變化，作一些相應補償、調整工作狀態的，特別是不需要集成處（chù）理器的器件，其知識等級太低，一般不（bú）應歸入（rù）智能器件範疇。
相信大多數讀者能經常接觸（chù）到的（de），最（zuì）貼近生活的智能傳感器可能（néng）要算是用於攝像頭、數碼相機、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 陣列中每個矽單元由光轉換成（chéng）的電信號極弱，必（bì）須（xū）直接和及（jí）時移位寄存、並處理轉換成（chéng）標準的圖像格式信號。還有更複雜一些的，在中（zhōng）、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係統，特別是高端產品中的（de）真正光學防抖係統。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計或微陀螺儀，通過它監測機身的抖動，並換算成鏡頭的各軸向位移量，進而驅動鏡頭中可變角度透鏡的（de）移動，使光學（xué）係統的折射光路保持穩（wěn）定（dìng）。
微係統（Microsystem）和MEMS（微（wēi）機電係統）-由微傳感器、微電子學電路（信號處理、控製電路、通信接品等）和微執行器構成一（yī）個三級級聯係統、集成在（zài）一個芯片上的器件稱之為微係統。如果其中擁有機械聯動或機械執行機構（gòu）等微機械部件的器械則稱之為MEMS。
MEMS芯片的左側給出的是製備MEMS芯（xīn）片需要的基本工藝技術。它的右側則（zé）為主要應用（yòng）領域列舉（jǔ）。很明（míng）顯，MEMS 的最好解決方案也是選用與矽工藝兼容的材料及物理效（xiào）應、設計理念和工藝流程（chéng），也即采用常規標準的CMOS 工藝與二維、三維微細（xì）加工技術（shù）相結（jié）合的方法，其中也包括微機械結構件的製作（zuò）。
微傳感（gǎn）器合乎邏輯的發展延伸是智能傳感器，智能傳感（gǎn）器（qì）自然延伸則是微係統和MEMS，MEMS 的進一步發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）。現在，開發成功（gōng）、並已有商業（yè）產品的MEMS品種已不少，涵蓋（gài）圖（tú）4所示的各（gè）大領域。其（qí）中包括（kuò）全光（guāng）光通信和全光計算機的關（guān）鍵部（bù）件之一的二維、三維MEMS光開關。
控製芯片上的微反射鏡陣列，實現光輸入/輸出的交叉（chā）互聯。這是（shì）目前全光交換技術的成熟的最佳方案。市場上可買到的（de）MEMS光開關已達1296路，開關轉換時間約為20ms。
微機械（也（yě）稱為納米機（jī）械）則尚處於開發試驗階段，但已（yǐ）有許多很（hěn）重（chóng）要的實驗（yàn）室產品湧現，如著名的納米電機、微昆蟲、微直升機和潛水艇等。技術產業（yè）界普遍認為，它們的開發成功和投入實際應用將對工業技術和生活（huó）質量產生深遠的（de）影響。

上一篇：試論職校機電專業教學內容與就業崗位的對接
下一篇：關於技校《電工基礎》課教學改革的思考（kǎo）

智能傳感器與現代汽車電子

我們的（de）優勢：