主頁 > 技術文章 > 關於智能（néng）傳感器與汽（qì）車電子的分析 2024-10-15

關於智能傳（chuán）感器與汽車電子的分析

摘要：現代汽（qì）車電子從所應用（yòng）的電子元器件（jiàn）到車內電子係統的架構均（jun1）已進入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代（dài）表性的（de）核心器件之一就是智能傳（chuán）感（gǎn）器。
一、汽車電子操（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（píng）論界出現了一些專家的預測：汽車工業有可（kě）能超過IT產業，成為中國國民經濟最（zuì）重要的（de）支柱（zhù）產業之一。其實，汽車工業的增（zēng）長（zhǎng）必（bì）將包含與汽車產業相關的IT 產業（yè）的（de）增長。例如，雖然目前（qián）在我（wǒ）國一汽的產品中電（diàn）子產品和技術的價值含量隻占10%—15%左右，但國外汽車中電子產品和技術的價值含量平均約（yuē）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（kuài）速增長，預期很快將達到50%。
        電子信息技術已經（jīng）成為新一代汽車發展方向的主導因素，汽（qì）車（機動車）的動力性能、操控性能、安全性能和（hé）舒適性能等各個方麵的改進和提（tí）高，都將依賴於機械係統及結構和電子產（chǎn）品、信息技術間的完美結合。汽車工程界專家指出：電子技術的發展已使（shǐ）汽車產品的概念發生了深刻的變化。這也是最近（jìn）電子信息（xī）產業界對汽車電子空前關注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內音（yīn）響（xiǎng）、視頻裝（zhuāng）備，車用通信、導航係統，以及車載辦公係統、網絡係統等車內電子設（shè）備的本質改變較少外（wài），現代汽車電子從所應用的電（diàn）子元器件（包括傳感器（qì）、執（zhí）行器、微電路（lù）等）到（dào）車（chē）內電子（zǐ）係統的架構（gòu）均已進入了（le）一個有本質性提高（gāo）的新階段。其中最（zuì）有代表性的核心器件之一（yī）就是智能傳感（gǎn）器（智能執行器、智能變送器）。
        實際上，汽車電（diàn）子已經經（jīng）曆了幾個發展階段：從分立電子元器件搭建的電路監測控製（zhì），經過了電子元器件或組件加微處（chù）理器構築的各自獨立（lì）的、專用的、半自動和自（zì）動的操控係統，現在已經進（jìn）入了（le）采用高速總線（目前至（zhì）少有（yǒu）5種以上總線已開發使用），統一交換汽車運行中的各種電子裝備和係統的數據，實現綜合、智能（néng）調控的新階段。新的汽車電子係統由各個電子控製單元（ECU）組成，可以獨立操控，同（tóng）時又能協調到整體運行的最佳狀態。
        還可以舉一個（gè）安全駕駛方麵的例子，出於平穩、安全駕駛的（de）需（xū）要，僅（jǐn）隻針對四個輪子的操控上，除了應（yīng）用大量（liàng）壓力（lì）傳感器並普遍安（ān）裝了刹（shā）車防抱死裝置（ABS）外，許多轎車，包括國產車，已增設（shè）了（le）電子動力分配係（xì）統（EBD），ABS+EBD可（kě）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（de）一些汽車進一步加裝了緊（jǐn）急刹車輔助係統（EBA），該係統在（zài）發生緊急情（qíng）況時，自動檢（jiǎn）測駕駛（shǐ）者踩製動（dòng）踏板（bǎn）時的速度和力度，並判（pàn）斷緊急製動的力度是否足（zú）夠，如果需要，就會自動增大製動力。EBA的自控（kòng）動作必須在極短時間（例如百萬分之一秒級）內完（wán）成。這（zhè）個係統能使200km/h高速行駛車（chē）輛的（de）製動滑（huá）行距離縮短（duǎn）極（jí）其寶貴的20多米。針對（duì）車輪的還有分別監測各（gè）個車輪相對於車速的轉速，進而為每個車輪平衡（héng）分配動力，保證在惡劣路（lù）麵條（tiáo）件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控製”（ETC）係統等。
        從以上列舉的兩個例子可以清楚看到，汽車發展對汽車（chē）電子（zǐ）的一些基本要求：
        1.1 電子操控係統的動作必須快速、正（zhèng）確、可（kě）靠。傳感器（+調理電路）+微處理（lǐ）器，然後再通過（guò）微處理器（+功率放大電路）+執行器的（de）技（jì）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、直接交換數據和簡化電路，並提高智能化程度（dù）來確保（bǎo）控製單元動作的正確性、可靠性和適時性（xìng）。
        1.2 現在幾乎所有的汽車的機械結構部（bù）件都已受（shòu）電子裝置控製，但汽車車體（tǐ）內的空間（jiān）有限，構件係統的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控製單元應與受控（kòng）製部件緊密結合，形成一個整（zhěng）體。因此器件和電路的微（wēi）型化、集成化是不可回避的道（dào）路。
        1.3 電子控製單元必須具有足夠的智能化程（chéng）度。以安全氣囊為（wéi）例，它在關鍵時刻必須要能及時、正確（què）地瞬時打開，但在極大多數時間內氣（qì）囊是處在待命狀態，因（yīn）此安全氣（qì）囊的ECU 必須具（jù）有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊係統的可正常運作的可靠性，確保動作的“萬無一失”。
        1.4 汽車的各種功能部件（jiàn）都有各（gè）自的運動、操控（kòng）特性，並（bìng）且，對電子產品而言，大多處於（yú）非常惡劣（liè）的運行環境中，而且各不相同（tóng）。諸如工作狀（zhuàng）態時的（de）高溫，靜止待命時（shí）的低溫，高濃度的油蒸汽（qì）和活性（毒性）氣體，以及高速運動和高強（qiáng）度的衝擊和振動等。因（yīn）此，電子元器件和電路必須要有高（gāo）穩定、抗環（huán）境（jìng）和自適應、自補償調整（zhěng）的能力。
        1.5 與（yǔ）上述要求同樣重（chóng）要，甚至有時是關鍵（jiàn）性的條件是，汽車電子控製單元用（yòng）的電子元器件、模（mó）塊必須要能（néng）大規模工業生（shēng）產，並能將成（chéng）本降低到可接受的程度。一些微傳感器（qì）和智能傳感器就是這方麵的典範。例如智能加速度（dù）傳感器，它不僅能較好地滿足現代汽車的各項需要，而且（qiě）因為可以（yǐ）在集成電路標準（zhǔn）矽工藝線上批量生產，生產成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在（zài）汽（qì）車工業中（zhōng）找到了自己最大的應用市場，反過（guò）來也有力地促進了汽車工業的電子信息化。
二、智能傳感器：微傳感器與集成電路融合的新（xīn）一代電（diàn）子（zǐ）器件
        微傳感器、智（zhì）能傳感器是近幾年才開始迅速發展起（qǐ）來的新興技術。在我國的報刊雜誌（zhì）上目（mù）前（qián）所使用的技術名稱還比較含混，仍（réng）然籠統地稱之為（wéi）傳感器，或（huò）者含糊地歸納為汽（qì）車半導體器件，也有將智（zhì）能（néng）傳感器（或智能執行器、智能變送器）與微係統、MEMS等（děng）都歸入了MEMS （微機電係統）名稱下的。這裏介紹當前一些歐美專著（zhe）中常用的技術名詞的定義和技術內涵。
        首先必（bì）須說明的是，在絕大多（duō）數情況下（xià），本文大（dà）小標題及全文中所說的傳（chuán）感器其實是泛指了三大類器件：將非電學輸入參量轉換成電磁學信號輸出的傳感器；將電學信號（hào）轉換成非電學（xué）參量輸出的執行器；以及既（jì）能用作傳（chuán）感器又能用作執行器，其中較多的是將一（yī）種電磁學參量形式轉變（biàn）成另一種電磁學參量形態輸出的（de）變送器。就是說，關於微傳感器、智能傳感器的技術特性可以擴大類推到微執行（háng）器、微變送器（qì）-傳感器（或執行器、或變送（sòng）器）的物理尺度中至少有一個物理尺寸等（děng）於或小於亞毫（háo）米量級的。微傳感器不是傳統傳感器簡單的物理縮小的產物，而是（shì）基於半導體工藝技術的新一代器件：應用新（xīn）的工（gōng）作機製和物化效應，采用與標準半導體（tǐ）工藝（yì）兼容的材料，用微細加工技術製備的。因此有時也稱為矽（guī）傳感器。可以用類似的定義和技術特（tè）征類推描述微執行器和微變送器。
它由兩塊芯片組成，一是具有自檢測能力（lì）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（jiān）的接口電路和MCU。這是一種較早期（1996年前後）的，但已相當實用（yòng）的（de）器（qì）件，可用（yòng）於（yú）汽車（chē）的自（zì）動製動（dòng）和懸掛係統中，並且因微加速度計具有自檢能力，還可用於安全氣囊。從此例中可以清楚看到，微傳感器的優勢不僅是體積的縮小，更在於能方便地與集（jí）成電路組合和規模生產。應該（gāi）指（zhǐ）出的是，采用這種兩片的解決方案可以縮短設計（jì）周期、降低開發前期小批量試產的成本。但（dàn）對實際（jì）應（yīng）用和市場來說，單芯片的（de）解決方案顯然更可取，生產成本更低（dī），應用價值更高。
        智能傳感器（Smart Sensor）、智能執（zhí）行（háng）器和智（zhì）能變送器-微（wēi）傳感器（或微執行器，或微變送器）和它的部分或（huò）全部處理器件、處理電路集成在（zài）一（yī）個芯片上的器件（例（lì）如上述的微加速度計的單芯（xīn）片解（jiě）決方案）。因此智能傳感器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運算、主動鑒別環境，自動調（diào）整和補（bǔ）償適應環境的能力，自診斷、自（zì）維護等。顯然，出於規模生產和降低生產成本（běn）的要求，智（zhì）能傳感（gǎn）器的設計（jì）思想、材料選擇和生產（chǎn）工（gōng）藝必須要盡可能地和集成電路的標準矽（guī）平麵工藝一（yī）致。可以在正常工藝流程的投片前（qián），或流程中，或工藝完成後增加一些特殊需要的工序，但也不應太多。
        在一個封裝中（zhōng），把一隻微機械壓力傳感器與模擬用戶（hù）接口、8位模-數轉換器（SAR）、微處理器（qì）（摩托羅拉69HC08）、存儲器和串行接口（SPI）等集成在一個芯片上。其前端的矽（guī）壓力傳感器（qì）是采（cǎi）用體矽微細加工技術製作（zuò）的。製備矽壓力傳感器的工序既可安排在集（jí）成 CMOS 電路工藝流程之前（qián），亦可在後。這種智能（néng）壓力（lì）傳感器的技術和市場（chǎng）都已成熟，已（yǐ）廣泛用於汽（qì）車（機動車（chē））所需（xū）的各（gè）式各樣的（de）壓力測量和控製單元中，諸如（rú）各種氣壓計、噴嘴前（qián）集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置（zhì）等。智能壓力傳感器的應用很（hěn）廣，不局限於汽車工業。目（mù）前，生產智能壓力傳感器的廠商已不少，市售（shòu）商品（pǐn）的（de）品種（zhǒng）也很多，已經出（chū）現激烈的競爭。結果是智（zhì）能壓力傳（chuán）感器體積越來越小（xiǎo），隨之控製單元所（suǒ）需（xū）的外圍接插件和分立元件越來越少，但功能和性能（néng）卻（què）越來越強，而且生產成本降低很快。
        相信大（dà）多數讀者能經常接觸到的（de），最貼近生活的智能傳感器可能要算是用於攝像頭、數碼相機、攝像機、手機攝像中的CCD圖像傳感器了（le）。這是一種非智能（néng）型（xíng）傳（chuán）感器莫屬的情況，因為CCD 陣列中每個矽單元由光轉（zhuǎn）換成的電信號極弱，必須直接和及時（shí）移位寄存、並處理轉換成標準的圖像（xiàng）格式信號。還有更複（fù）雜一些的，在中、高檔長焦距（IOX）光學放大數碼（mǎ）相機和攝像機上（shàng）裝備的電（diàn）子和光學防抖係統，特別是高端產品中的真正光學防抖係統。它的核（hé）心是雙軸向或3軸（zhóu）向的（de）微（wēi）加速（sù）度計或微陀螺儀，通過（guò）它監測機身的抖動，並換算成鏡頭（tóu）的各軸向位移量，進而驅動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學係統的（de）折射光路保持穩定。
        微係統（Microsystem）和MEMS（微機電（diàn）係統）-由微傳感器、微電子（zǐ）學電路（信號（hào）處理、控製電路、通信（xìn）接品等）和微執行器（qì）構成一個（gè）三級級聯係統、集成在（zài）一（yī）個（gè）芯片上的器件稱（chēng）之為微係統。如果其中擁有機械聯動或機械執行機構等微（wēi）機械部件的器械則稱之為（wéi）MEMS。
        MEMS芯片的左側給出的是製（zhì）備（bèi）MEMS芯片需要的基本工藝技術。它的右側則為主要應用領域（yù）列舉。很明顯（xiǎn），MEMS 的（de）最好解決方案也是（shì）選用與矽工（gōng）藝兼容的材料及物理效應、設計理（lǐ）念和工藝流程，也即采用常規標準的CMOS 工藝（yì）與二維、三維微細加工（gōng）技術相結合的方法，其中也包（bāo）括微機械結構件的製作。
        微（wēi）傳感器合乎邏輯的發展延伸是智能傳感器，智能傳（chuán）感器自然延伸則（zé）是微係統和MEMS，MEMS 的（de）進一步發展則是能夠自主接收、分辨（biàn）外界信號和（hé）指令，進而能獨立、正確動作的微機械（Micromachines）。現在，開發成功、並已有商業產品的（de）MEMS品種已不少，涵（hán）蓋各大領（lǐng）域。其中包括（kuò）全光光通信和全光計算機的關鍵部件（jiàn）之一（yī）的二維、三維MEMS光開關。
        通過控製芯片上的微反射鏡陣列，實現光輸入/輸出的交（jiāo）叉互聯。這是（shì）目前全（quán）光交換技術的成熟（shú）的最佳方案。市場上可（kě）買到的MEMS光開關已達1296路，開關轉換時間約為20ms。
        微機械（xiè）（也稱為納（nà）米機械）則尚處於開發試驗階段（duàn），但已有許多很重要的實驗室產品湧現，如（rú）著名的（de）納米電機、微昆蟲、微直升機（jī）和潛水（shuǐ）艇等。技術產業界普遍認為（wéi），它（tā）們的（de）開發成功（gōng）和投入實際應用將對工業技術和生活質量（liàng）產生（shēng）深遠的影響。

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