智能傳感器與現(xiàn)代汽車電子

1、智能傳感器與現(xiàn)代汽車電子一、汽車電子操控和安全系統(tǒng)談起:近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速,發(fā)展勢頭很猛。因此評論界出現(xiàn)了一些專家的預(yù)測:汽車工業(yè)有可能超過IT產(chǎn)業(yè),成為中國國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實,汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的IT產(chǎn)業(yè)的增長。例如,雖然目前在我國一汽的產(chǎn)品中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價值含量只占10%15%左右,但國外汽車中電子產(chǎn)品和技術(shù)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,而且這個比例還在、不斷地快速增長,預(yù)期很快將達到50%。電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導(dǎo)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面的改進

2、和提高,都將依賴于機械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結(jié)合。汽車工程界專家指出:電子技術(shù)的發(fā)展已使汽車產(chǎn)品的概念發(fā)生了深刻的變化。這也是最近電子信息產(chǎn)業(yè)界對汽車電子空前關(guān)注的原因之一。但是,必須指出的是,除了一些車內(nèi)音響、視頻裝備,車用通信、導(dǎo)航系統(tǒng),以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等車內(nèi)電子設(shè)備的本質(zhì)改變較少外,現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件(包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進入了一個有本質(zhì)性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能傳感器(智能執(zhí)行器、智能變送器。實際上,汽車電子已經(jīng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段:從分立電子元器件搭建的電路監(jiān)測控制,經(jīng)過了電子元器件或組件

3、加微處理器構(gòu)筑的各自獨立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng),現(xiàn)在已經(jīng)進入了采用高速總線(目前至少有5種以上總線已開發(fā)使用,統(tǒng)一交換汽車運行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù),實現(xiàn)綜合、智能調(diào)控的新階段。新的汽車電子系統(tǒng)由各個電子控制單元(ECU組成,可以獨立操控,同時又能協(xié)調(diào)到整體運行的最佳狀態(tài)。例如為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài),就需要從吸入汽缸的空氣流量、進氣壓力的測定開始,再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)計算出基本噴油量,同時還要通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度,確定發(fā)動機的工況,進而控制,調(diào)整最佳噴油量,最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速,最終計算出并發(fā)出最佳點火時機

4、的指令。這個發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以與廢氣排放的監(jiān)控系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等組合,構(gòu)筑成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩最大化,而同時燃油消耗和廢氣排放最低化的智能系統(tǒng)。還可以舉一個安全駕駛方面的例子,出于平穩(wěn)、安全駕駛的需要,僅只針對四個輪子的操控上,除了應(yīng)用大量壓力傳感器并普遍安裝了剎車防抱死裝置(ABS外,許多轎車,包括國產(chǎn)車,已增設(shè)了電子動力分配系統(tǒng)(EBD, ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在,國內(nèi)外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)(EBA,該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時,自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度,并判斷緊急制動的力度是否足夠,如果需要,就會自

5、動增大制動力。EBA的自控動作必須在極短時間(例如百萬分之一秒級內(nèi)完成。這個系統(tǒng)能使200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車輪的還有分別監(jiān)測各個車輪相對于車速的轉(zhuǎn)速,進而為每個車輪平衡分配動力,保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”(ETC系統(tǒng)等。從以上列舉的兩個例子可以清楚看到,汽車發(fā)展對汽車電子的一些基本要求:1.電子操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器(+調(diào)理電路+微處理器,然后再通過微處理器(+功率放大電路+執(zhí)行器的技術(shù)途徑已經(jīng)不再能滿足現(xiàn)代汽車的要求,需要通過硬件集成、直接交換數(shù)據(jù)和簡化電路,并提高智能化程度來確?？刂?/p>

6、單元動作的正確性、可靠性和適時性。2.現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機械結(jié)構(gòu)部件都已受電子裝置控制,但汽車車體內(nèi)的空間有限,構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當(dāng)然是,電子控制單元應(yīng)與受控制部件緊密結(jié)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.電子控制單元必須具有足夠的智能化程度。以安全氣囊為例,它在關(guān)鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時打開,但在極大多數(shù)時間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài),因此安全氣囊的ECU必須具有自檢、自維護能力,不斷確認氣囊系統(tǒng)的可正常運作的可靠性,確保動作的“萬無一失”。4.汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性,并且,對電子產(chǎn)品而言,大多處于非常惡劣的運行環(huán)境

7、中,而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時的高溫,靜止待命時的低溫,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沖擊和振動等。因此,電子元器件和電路必須要有高穩(wěn)定、抗環(huán)境和自適應(yīng)、自補償調(diào)整的能力。5.與上述要求同樣重要,甚至有時是關(guān)鍵性的條件是,汽車電子控制單元用的電子元器件、模塊必須要能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),并能將成本降低到可接受的程度。一些微傳感器和智能傳感器就是這方面的典范。例如智能加速度傳感器,它不僅能較好地滿足現(xiàn)代汽車的各項需要,而且因為可以在集成電路標(biāo)準(zhǔn)硅工藝線上批量生產(chǎn),生產(chǎn)成本較低(幾美元至十幾或幾十美元,所以在汽車工業(yè)中找到了自己最大的應(yīng)用市場,反過來也有力地促進了汽車工業(yè)的電子

8、信息化。二、智能傳感器:微傳感器與集成電路融合的新一代電子器件:微傳感器、智能傳感器是近幾年才開始迅速發(fā)展起來的新興技術(shù)。在我國的報刊雜志上目前所使用的技術(shù)名稱還比較含混,仍然籠統(tǒng)地稱之為傳感器,或者含糊地歸納為汽車半導(dǎo)體器件,也有將智能傳感器(或智能執(zhí)行器、智能變送器與微系統(tǒng)、MEMS等都歸入了MEMS(微機電系統(tǒng)名稱下的。這里介紹當(dāng)前一些歐美專著中常用的技術(shù)名詞的定義和技術(shù)內(nèi)涵。首先必須說明的是,在絕大多數(shù)情況下,本文大小標(biāo)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(xué)輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)換成電磁學(xué)信號輸出的傳感器;將電學(xué)信號轉(zhuǎn)換成非電學(xué)參量輸出的執(zhí)行器;以及既能用作傳感器又能用作執(zhí)行器,其

9、中較多的是將一種電磁學(xué)參量形式轉(zhuǎn)變成另一種電磁學(xué)參量形態(tài)輸出的變送器。就是說,關(guān)于微傳感器、智能傳感器的技術(shù)特性可以擴大類推到微執(zhí)行器、微變送器傳感器(或執(zhí)行器、或變送器的物理尺度中至少有一個物理尺寸等于或小于亞毫米量級的。微傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的物理縮小的產(chǎn)物,而是基于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的新一代器件:應(yīng)用新的工作機制和物化效應(yīng),采用與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料,用微細加工技術(shù)制備的。因此有時也稱為硅傳感器?？梢杂妙愃频亩x和技術(shù)特征類推描述微執(zhí)行器和微變送器。圖1是一個微加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩塊芯片組成,一是具有自檢測能力的加速度計單元(微加速度傳感器,另一塊則是微傳感器與微處理器(MC

10、U間的接口電路和MCU。這是一種較早期(1996年前后的,但已相當(dāng)實用的器件,可用于汽車的自動制動和懸掛系統(tǒng)中,并且因微加速度計具有自檢能力,還可用于安全氣囊。從此例中可以清楚看到,微傳感器的優(yōu)勢不僅是體積的縮小,更在于能方便地與集成電路組合和規(guī)模生產(chǎn)。應(yīng)該指的是,采用這種兩片的解決方案可以縮短設(shè)計周期、降低開發(fā)前期小批量試產(chǎn)的成本。但對實際應(yīng)用和市場來說,單芯片的解決方案顯然更可取,生產(chǎn)成本更低,應(yīng)用價值更高。 智能傳感器(Smart Sensor、智能執(zhí)行器和智能變送器微傳感器(或微執(zhí)行器,或微變送器和它的部分或全部處理器件、處理電路集成在一個芯片上的器件(例如上述的微加速度計的單芯片解決

11、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(huán)境,自動調(diào)整和補償適應(yīng)環(huán)境的能力,自診斷、自維護等。顯然,出于規(guī)模生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的要求,智能傳感器的設(shè)計思想、材料選擇和生產(chǎn)工藝必須要盡可能地和集成電路的標(biāo)準(zhǔn)硅平面工藝一致。可以在正常工藝流程的投片前,或流程中,或工藝完成后增加一些特殊需要的工序,但也不應(yīng)太多。圖2是一種智能硅壓力傳感器的布局示意圖。在一個封裝中,把一只微機械壓力傳感器與模擬用戶接口、8位模-數(shù)轉(zhuǎn)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。其前端的硅壓力傳感器是采用體硅微細加工技術(shù)制作的。制備硅壓力傳感器的工序既

12、可安排在集成CMOS電路工藝流程之前,亦可在后。這種智能壓力傳感器的技術(shù)和市場都已成熟,已廣泛用于汽車(機動車所需的各式各樣的壓力測量和控制單元中,諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。智能壓力傳感器的應(yīng)用很廣,不局限于汽車工業(yè)。目前,生產(chǎn)智能壓力傳感器的廠商已不少,市售商品的品種也很多,已經(jīng)出現(xiàn)激烈的競爭。結(jié)果是智能壓力傳感器體積越來越小,隨之控制單元所需的外圍接插件和分立元件越來越少,但功能和性能卻越來越強,而且生產(chǎn)成本降低很快(現(xiàn)在約為幾美元一只。 順便需要說說的是,在一些中文資料中,尤其是一些產(chǎn)品宣傳性材料中,籠統(tǒng)地將Smart Sensor(或de

13、vice和Intelligent sensor(或device都稱之為智能傳感器,但在歐美文獻中是有所差別的。西方專家和公眾通常認為,Smart(智能型傳感器比Intelligent(知識型的智慧層次和能力更高。當(dāng)然,知識型的內(nèi)涵也在不斷進化,但那些只能簡單響應(yīng)環(huán)境變化,作一些相應(yīng)補償、調(diào)整工作狀態(tài)的,特別是不需要集成處理器的器件,其知識等級太低,一般不應(yīng)歸入智能器件范疇。相信大多數(shù)讀者能經(jīng)常接觸到的,最貼近生活的智能傳感器可能要算是用于攝像頭、數(shù)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陣列中每個硅單元由光轉(zhuǎn)換成的電信號極弱,必須直接和及時移

14、位寄存、并處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的圖像格式信號。還有更復(fù)雜一些的,在中、高檔長焦距(IOX光學(xué)放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學(xué)防抖系統(tǒng),特別是高端產(chǎn)品中的真正光學(xué)防抖系統(tǒng)。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(jiān)測機身的抖動,并換算成鏡頭的各軸向位移量,進而驅(qū)動鏡頭中可變角度透鏡的移動,使光學(xué)系統(tǒng)的折射光路保持穩(wěn)定。微系統(tǒng)(Microsystem和MEMS(微機電系統(tǒng)由微傳感器、微電子學(xué)電路(信號處理、控制電路、通信接品等和微執(zhí)行器構(gòu)成一個三級級聯(lián)系統(tǒng)、集成在一個芯片上的器件稱之為微系統(tǒng)。如果其中擁有機械聯(lián)動或機械執(zhí)行機構(gòu)等微機械部件的器械則稱之為MEMS。圖3示出了MEMS芯片的基本構(gòu)架,MEMS芯片的左側(cè)給出的是制備MEMS芯片需要的基本工藝技術(shù)。它的右側(cè)則為主要應(yīng)用領(lǐng)域列舉。很明顯, MEMS的最好解決方案也是選用與硅工藝兼容的材料及物理效應(yīng)、設(shè)計理念和工藝流程,也即采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝與二維、三維微細加工技術(shù)相結(jié)合的方法,其中也包括微機械結(jié)構(gòu)件的制作。 微傳感器合乎邏輯的發(fā)展延伸是智能傳感器,智能傳感器自然延伸則是微系統(tǒng)和MEMS,MEMS的進一步發(fā)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?，F(xiàn)在,開發(fā)成功、并已有商業(yè)產(chǎn)品的MEMS品種已不少,涵蓋圖4所示的各大領(lǐng)域。其中包括全光光通信和全光