新型车用传感器及发展趋势解析

一、前言
汽车传感器作为汽车电子控制系统的重要信息源，对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。当前，一辆国内普通家用轿车上大约安装了近百个传感器，而豪华轿车上的传感器数量多达200只。未来汽车传感器技术总的发展趋势是微型化、多功能化和智能化。
微型传感器利用微机械加工技术，将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以明显提高系统测试精度。当前，该技术逐步成熟，可以制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上的特征参数或者化学参数，从而减少汽车传感器的数量，提高系统的可靠性。智能化是将传感器与大规模集成电路相结合，具有智能作用。
由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。下面介绍一些这方面的新产品。
二、离子检测系统
三菱（Mitsubishi电子公司）正在开发一种车用离子检测系统。这个系统能够通过检测离子来监控发动机每个气缸的燃烧情况。当可燃混合气持续燃烧时，在燃烧峰面附近就会发生电离现象。把一个带偏压的测头放入气缸，就可以测出与电离状况相关的离子流。
这个能反映发动机各种燃烧状况的信息控制系统由带测头的火花塞、装有测试附件的点火线圈及一套处理离子流信号的电子模块构成，它可以判别每个缸的点火、燃烧及爆震情况。进一步的功能将是对发动机的混合气状况加以监控，即根据离子流所显示的燃烧情况来控制每个缸的空燃比。
三、快速起动的氧传感器
冷车运转时的发动机所排放的CO和HC是最多的，这就要求氧传感器尽快起动进入闭环控制状态。NGK火花塞有限公司研制出一种新型氧传感器，它能在15s内达到闭环控制。通过缩小加热区和降低阻抗，改进了传感器的加热装置。由于采用新材料和新的温控系统，使加热器的寿命与现有类型相近，改善了低温特性。
四、侧滑传感器
博世公司开发一种双向传感器，它是由采用压电晶体的线性加速度计组合而成。这样的组合更有利于传感器的设置、信号处理和封装。这种传感器有两个经过显微加工的信号发生器并各自对应着所测加速度方向的基准面，对应于某个基准面的独立信号就能测出相应的作用力。而很高的品质因数Q值使传感器的封装可以在常压下进行。
五、压电谐振式角速度传感器
三菱电子公司开发的这种传感器为玻璃一硅一玻璃结构，其谐振部分是一个用浸蚀法制成的硅梁。通过外置振荡器激发，其谐振频率约为4KHz。梁的厚度与硅片相同，它的宽度和长度通过浸蚀加工来决定。硅梁和玻璃支架的连接采用了真空下的阳极焊接工艺，以确保其固有频率变化很小。
角速度的变化可根据硅梁振动频率变化引起的梁两侧玻璃支架上金属电极间的电容变化值测出。传感器电路由电容电压（C—V）转换器和同步解调器构成。C—V转换器是一个转换电容的比较器（ASIC）。当测量范围在±200°/s时，非线性为±1%。
六、高压传感器
Denso公司开发一种浸入式高压传感器。这些传感器可用来检测机油、液压系统、汽油以及空调制冷剂的压力，如制动器的液压控制系统、怠速下的空调机压缩器和动力转向泵、燃油控制系统、悬架控制系统以及自动变速器中的液压换挡系统。这些系统的压力变化在2～20MPa，而传感器可耐压38MPa。
这种传感器使用一种树脂胶而不是通常使用的金属和玻璃来封装，以形成足够大的油分子通道，实现了外型和元件间封尺寸的优化设计。包括压力感应元件和放大电路在内的所有元件都集中在一块芯片上。
七、直热式检测传感器
GM研发中心正在试验使用一种直热式检测系统来抑制后排末成年人座椅（RFIS）处的侧量气囊展开。将乘员席表面的温度与驾驶员座椅表现温度加以对比，若两者不同且与预定值差异较大，则气囊的展开就会受到抑制。乘员席的温度由安置在座椅表面的热敏电阻来测定，可采用直热式或非直热式热敏电阻。
实际上这种抑制系统可采用多种检测方式，当直热式探测器的工作不够可靠时，可采用其他方式来提高该系统的可靠性。曾有人建议配置别的传感器，如测量体重、电容、振动，使用超声波、微波、光学及红外线等。还有人建议为一个抑制系统配置多种检测装置，使其工作更加可靠。
八、机油粘度传感器
何时更换机油一般是根据厂家规定的时间或里程来进行。少数厂家采用了更先进的方式，通过记录发动机转速和温度来计算换油间隔。Lucas Varity公司正在研制一种压电振动式粘度传感器，其工作原理与振动式粘度计相近——振子（球型、片状或棒式）在受到粘滞阻尼时其振频会发生衰变。因此，依靠不同形状的振子，就可以测出粘度和密度的一些参数。有一种振动式粘度计的振子是石英棒，它能被激发扭振，通过测量与液体粘度相对应的振幅和谐振频宽，就可以确定粘度（准确地说应是粘度和密度的综合值）。可见，振动式粘度计是通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度的一种装置。然而，由于传感元件与液体的接触处切变波形会产生畸变而导致测试值与液体的对应关系较差。
粘度传感器设置了一种界面来改善传感元件与液体之间的接触关系，其原理与我们熟知的应用于生物医学和海洋船舶上的超声波换能器相似。
传感器的核心是一个压电转换器，在它两侧施加电压时，就会产生切向运动。电极是用金属蒸发沉积法布置在压电晶体表面，然后整体涂上一层绝缘层。
一台扫频仪通过振荡器所产生的交变电压来确定传感元件的谐振频率。因为在谐振时，传感元件的电阻达到最大值，随着液体粘度的变化，这个蜂值也相应变化，并通过峰值检测电路转化为电压信号。
绝缘层的厚度根据所测粘度的范围来确定，因为从液体界面处反射回来的切变波必须被绝缘层全部吸收，所以绝缘层的厚度大约是四分之一个波长。
九、磁敏式速度传感器
SST技术有限公司开发了一种一体化的传感器，它是把高磁阻（GMR）材料与半导体装置合为一体的磁敏式速度传感器。高磁阻材料的特点是随磁场的变化其电阻值也发生变化。半导体装置是由制作在同一块BICMOS电路板上的信号处理器和电压调节器所构成。先将高磁阻材料喷镀在BICMOS板基上，采用光刻腐蚀工艺将其制成电阻，通过铝箔把其连入BICMOS电路，再周边镀上一层合金以聚集磁力线。
这种传感器是双极型结构，通过电平转换输出一个方波形脉冲信号，其输出频率与软磁信号轮齿的回转频率是相同的，而励磁机构是一块永久磁铁。由于传感器的信号处理电路是直流耦合式，所以可处理零速状态。而其具有高灵敏度使之在较大气隙下也能工作。
采用上述技术的ABS传感器具有零速处理、输出信号在两电平之间变化的双极型结构，脉冲频率与信号轮齿或磁极的回转频率相同的特点。在允许温度和工作频率范围内，其频宽比为（50±10）%，轮齿模数2.5时，气隙特性可达3mm。
十、汽车用传感器技术的发展趋势
未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一个传感器能检测2个或者2个以上的特性参数或者化学参数。集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有MPU，具有智能作用。新近研发的汽车用传感器具有如下特点：数字化信号输出、线性化微处理器补偿、传感器信号共用和加工、传感器间接测量、复合传感器信号处理、IC化和精细加工等。
纤传感器现已开发出温度、压力、位置、转速、液位、流量、振动、陀螺等上百种类型。由于光纤传感器具有灵敏度高、体积小、质量轻、可弯曲、绝缘性好、无电磁干扰、宽频带、低损耗等特点，今后将会广泛应用到汽车上。
为提高汽车安全性和舒适性，生物体测量等方面的传感器也在研究中。例如，驾驶员视野盲区障碍物测量、保持2车前后车距、碰撞自动保护等装置中用传感器。
传感器信号输出与控制系统的计算机接口也是一个重要的研究课题。内含有A／D、D／A、I／O驱动、缓冲RAM、程序ROM、MPU，并具有线性、温度补偿以及相应控制程序的灵巧型汽车用传感器引人注目，将使得汽车各系统的元器件数量大大减少，从而降低系统成本，减小体积和减轻质量，并使整个系统更加简单可靠。
总之，汽车用传感器技术的发展，不仅仅是传感器自身的开发，而且更注重于对传感器的互换性、耐久性、可靠性的开发。