智能傳感器與現(xiàn)代汽車電子

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智能傳感器與現(xiàn)代汽車電子現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件到車內(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。 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?？刂茊卧獎幼鞯恼_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。 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（MCU）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。 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 device)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。 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計算機的關(guān)鍵部件之一的二維、三維 MEMS 光開關(guān)。 通過控制芯片上的微反射鏡陣列，實現(xiàn)光輸入/輸出的交叉互聯(lián)。這是目前全光交換技術(shù)的成熟的最佳方案。市場上可買到的 MEMS 光開關(guān)已達 1296 路，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間約為 20ms。 微機械（也稱為納米機械）則尚處于開發(fā)試驗階段，但已有許多很重要的實驗室產(chǎn)品涌現(xiàn)，如著名的納米電機、微昆蟲、微直升機和潛水艇等。技術(shù)產(chǎn)業(yè)界普遍認為，它們的開發(fā)成功和投入實際應(yīng)用將對工業(yè)技術(shù)和生活質(zhì)量產(chǎn)生深遠的影響。