让汽车找到“第六感”——新一代汽车智能传感器让汽车找到“第六

图1 全球气车传感器市场趋势预测

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合，电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。目前除了一些车内音响、视频装备、车用通信、导航系统以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是智能传感器。
安全应用带动智能传感器市场飙升
汽车应用相关的传感器除光照度、图像传感器和主动探测的超声波、微波、毫米波雷达外，还包括压力、液位、流量、位置、高度、距离、速度、转速、转矩、加速度、温度、湿度、气体浓度等传感器，以及适合汽车总线的CAN总线式智能传感器。霍尼韦尔公司汽车电子部工程师陈阳表示，业界正在应用非接触的位置测量、磁阻、磁变、霍尔效应、显微加工的硅芯片、热覆膜、Piezo陶瓷等技术方式，采用通用化、标准化的设计理念来提供切合市场需求的汽车传感器。
各种各样的产品已经深刻地融入到汽车的各个功能系统，包括发动机管理系统、底盘与传动系统、安全系统、车身电子系统、空调环境系统等等。从汽车传感器的发展趋势来看，它将不仅仅局限在发动机管理系统，而是越来越多地与环境保护、安全和智能化联系在一起。未来几年，汽车引擎和驱动部分的应用仍然是智能传感器的最大应用领域，虽然其增长趋势将没有其它应用那么明显；尾气排放控制传感器的需求的增长前景仍然被看好，世界各国有关汽车尾气排放限制的法规逐渐严格，这将大力推动排放控制传感器市场的增长。
此外，随着汽车安全技术的重心正由被动安全转向主动安全，安全应用将是一个有着巨大增长潜力的市场。据Du Pont Automotive的一项调查结果显示，对于汽车消费者来说，安全至上，其重要性排在性能、娱乐功能和燃油效率之上。政府的直接推动和影响是汽车安全应用得以快速发展的一个主要原因。例如，对于轮胎压力监测来说，根据联邦汽车安全标准138 (FMVSS138)，美国正在执行强制规定，要求为美国市场生产的汽车必须在2007年以前100%安装直接胎压监测解决方案。
中国政府目前也在考虑强制重型车辆配备ABS系统，以改善道路安全状况。虽然目前中国没有要求采用胎压监测系统(TPMS)的相关规定，但这种应用也出现了增长的趋势。对此，飞思卡尔半导体公司亚太区汽车电子总监杨飞评论说：“轮胎压力传感器只是其中的一个例子。我们将看到安全和保安领域将有越来越多的应用，能够使汽车自行变得更加安全、更加舒适和更有效率。”英飞凌科技亚太(私人)有限公司汽车与工业电子市场部高级经理蔡志雄也强调，现代汽车必须采用更多的传感器，以提高智能化程度。他还坚信，安全应用将是关键的增长领域之一。
市场调研公司Strategy Analytics预计，汽车半导体市场在2008年以前的平均增长速度为9.2%，到2008年将由2003年的139亿美元增长到215亿美元。中国是其中的关键增长动力之一，增长速度最快。飞思卡尔的杨飞指出，作为一个发展中的市场，中国的多数汽车配置都非常基本，但随着中国经济的迅速增长，以及客户对于安全问题的日益重视，市场将需要更多的功能强大的汽车。他说：“因此我们可以预见，一方面半导体增长将因汽车产量增长而倍增；另一方面，客户对于汽车安全功能的期望越来越高，将为中国汽车传感器市场创造出巨大的潜力。”陈阳也透露，中国是霍尼韦尔汽车传感器增长速度最快的市场，该公司的汽车电子部门正在为不同车型定制各种各样的解决方案。
层出不穷的新型智能安全方案
在业界厂商以构建最高级别的安全驾乘环境为最终目的的技术竞赛中，各种新兴的安全系统解决方案争奇斗艳、层出不穷，可以说“没有做不到，只有想不到”。可以预见，将来最先进的智能传感系统将使汽车拥有像人类“第六感”一样的高度智慧和神奇，从而将汽车的安全性能提高到一个前所未有的高度。从目前看来，正在逐渐开始被导入高档轿车的智能传感器系统有：
酒精检测MEMS系统：如意法半导体的新型信号处理电路集成酒精传感器，该酒精传感器采用二氧化锡MEMS元件可根据环境中的氧气浓度吸附氧气并使得电阻值改变的特性。正常状况下，元件在吸附空气中的氧气后会保持某个电阻值不发生变化，而一旦空气中含有酒精，元件表面的氧元素便会与酒精发生反应，使电阻值下降。通过测定电阻值，便可检测出呼气中含有的酒精浓度。酒精检测MEMS传感器将可以植入在直径8mm的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内，一旦检测出驾驶员呼出的气体含有酒精，便发出安全警报。
自动雨刷系统：以发光二极管对前挡风玻璃发出光束，当雨滴打在感应区的玻璃上时，光束所反射的光线强度，会因玻璃上的雨量或湿气含量而有所变化，改变雨刷的刷动频率；或透过红外线电子雨量传感器感应雨量的多寡，并随车速的变化自动调整雨刷速度，增进驾驶人的驾驶方便性，让驾驶更有安全性。
电子式自动照明系统：电子式感应头灯可透过车外的光线明暗感应器自动监测外界的光线，在天色有变化或是进入山洞时，电子式感应器将头灯自动打开，减少驾驶人操作的时间，增加行车安全性。
胎压监测系统：在每个轮胎上安装高灵敏度的传感器，于行车状态下随时监测轮胎状况，并透过传感器以无线方式发射到接收器，让驾驶人能随时掌握漏气与温度升高等轮胎状况，以确保汽车行驶中的安全，并延长轮胎的使用寿命与降低燃油的消耗。最先进的直接轮胎压力监测解决方案的特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和动作探测等。
安全气囊触发系统：如飞思卡尔推出的卫星加速度传感器，可扩展到整个汽车周围以探测碰撞。通过加速度传感器与SmartMOS技术集成，专门用于探测碰撞和触发汽车正面和侧面的安全气囊。一个集成式器件提供加速度探测、电压调节、MCU功能和有线通讯协议。飞思卡尔提供种类众多的加速度传感器，从1.5g到250g，覆盖X、XY、XYZ和Z轴方向。
据杨飞介绍，目前还正在出现一种趋势，而且预计它将在未来几年扩散，有关机构将要求采用汽车动态控制(VDC)系统，也被称作“电子稳定控制(ESC)系统”。他说，目前这种系统是高档汽车的一个标准配置，但将继续向更多的车款扩散。“稳定控制系统尤其令SUV运动休闲车受益，因为这种车重心较高，更容易发生侧翻。”此外，随着图像传感和处理技术的发展，还有更多的用于道路分离报警和引导、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等基于传感器的智能系统将逐渐进入新一代的汽车应用中。
智能传感器的技术要求
汽车应用通常被视为最困难的领域之一，因为它具有极端的工作温度范围和强烈的机械振动。汽车电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠，传统通过分立电子元器件搭建的电路监测控制系统已经不能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。而且现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况是，电子感应、控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体，这就要求新一代传感器件和控制电路尽可能地微型化、集成化。
汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，对汽车传感器而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性(毒性)气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，传感器和电路必须要有高稳定、抗环境干扰和自适应、自补偿调整的能力。据霍尼韦尔的陈阳介绍，汽车传感器在出厂之前要经过高低温存放、恒定湿热、热冲击、泥浆喷溅、盐水喷溅、振动和电磁干扰等严格测试，确保产品性能不受周围环境的影响。
与上述要求同样重要甚至更关键的一个条件是，汽车电子用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。新一代智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低，所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车产品的智能化。