汽車傳感器的中心議題：

• 汽車電子化和智能化方案
• 汽車用傳感器分類

汽車傳感器的解決方案：

• 汽車發動機控製用傳感器
• 安全係統方麵用傳感器
• 車輛監控和自診斷用傳感器
• 高溫微電子在汽車中的應用

一

、引言
現代汽車正由一個單純交通工具朝著能滿足人類需求和安全、舒適、方便及無汙染的方向發展。

要yao實shi現xian這zhe些xie目mu標biao的de關guan鍵jian在zai於yu汽qi車che的de電dian子zi化hua和he智zhi能neng化hua，先xian決jue條tiao件jian則ze是shi各ge種zhong信xin息xi的de及ji時shi獲huo取qu
，這zhe勢shi必bi要yao求qiu在zai汽qi車che中zhong大da量liang采cai用yong各ge種zhong傳chuan感gan器qi。傳chuan統tong的de傳chuan感gan器qi往wang往wang體ti積ji和he重zhong量liang大da、成本高
，它們在汽車的應用受到很大的限製。

近幾年來
，從半導體集成電路（IC）技術發展而來的微機電係統（microelectromechnicalsystem
，MEMS）jishurijianchengshu。weixingchuanganqishimuqianzuiweichenggongbingzuijushiyongxingdeweixingjidianqijian，zhuyaobaokuoliyongweixingmopiandejixiexingbianchanshengdianxinhaoshuchudeweixingyalichuanganqiheweixingjiasuduchuanganqi；此外
，還有微型溫度傳感器、磁場傳感器、氣體傳感器等
，這些微型傳感器的麵積大多在1mm2以yi下xia。隨sui著zhe微wei電dian子zi加jia工gong技ji術shu，特te別bie是shi納na米mi加jia工gong技ji術shu的de進jin一yi步bu發fa展zhan
，傳chuan感gan器qi技ji術shu還hai將jiang從cong微wei型xing傳chuan感gan器qi進jin化hua到dao納na米mi傳chuan感gan器qi。這zhe些xie微wei型xing傳chuan感gan器qi體ti積ji小xiao，可ke實shi現xian許xu多duo全quan新xin的de功gong能neng，便bian於yu大da批pi量liang和he高gao精jing度du生sheng產chan，單dan件jian成cheng本ben低di，易yi構gou成cheng大da規gui模mo和he多duo功gong能neng陣zhen列lie

，這zhe些xie特te點dian使shi得de它ta們men非fei常chang適shi合he於yu汽qi車che方fang麵mian的de應ying用yong。

二

、汽車用傳感器分類
汽(qi)車(che)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)顯(xian)示(shi)和(he)電(dian)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)各(ge)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)統(tong)稱(cheng)。它(ta)涉(she)及(ji)到(dao)很(hen)多(duo)的(de)物(wu)理(li)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)化(hua)學(xue)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)要(yao)麼(me)是(shi)使(shi)司(si)機(ji)了(le)解(jie)汽(qi)車(che)各(ge)部(bu)分(fen)狀(zhuang)態(tai)的(de)
；要麼是用於控製汽車各部分狀態的。按在汽車上的作用可分為控製發動機、控製底盤以及給駕駛員提供各種信息用傳感器
，構成這些傳感器的材料有精細陶瓷
、半導體材料、光導纖維及高分子薄膜等；按輸出特性來分有模擬型傳感器和數字型傳感器；按構成原理來分
，有結構型、韌性型和複合型。為方便起見
，現按汽車傳感器的控製對象來分類。

三、微型傳感器在汽車中的應用
汽車上用的傳感器的種類很多，應用的方麵很廣。下麵介紹傳感器在汽車發動機控製、安全係統、車輛監控和自診斷等方麵的應用。

（一）汽車發動機控製用傳感器
發動機的電子控製一直被認為是MEMS技術在汽車中的主要應用領域之一。發動機控製係統用傳感器是整個汽車傳感器的核心，種類很多
，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、流量傳感器、氣(qi)體(ti)濃(nong)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)爆(bao)震(zhen)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)向(xiang)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)提(ti)供(gong)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)況(kuang)信(xin)息(xi)
，供(gong)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)對(dui)發(fa)動(dong)機(ji)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)況(kuang)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)，以(yi)提(ti)高(gao)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)動(dong)力(li)性(xing)、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。

1．溫度傳感器
汽車用溫度傳感器主要用於檢測發動機溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度
、燃油溫度以及催化溫度等。溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特點，其應用場合也略有區別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應特性較好，但線性差
、適應溫度較低。其中，通用型的測溫範圍為-50℃～30℃，精度為1.5%，響應時間為10ms；高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應時間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高
，但響應特性差
；reoudianzushiwenduchuanganqidejingdugao，celiangwendufanweikuan，danxuyaopeihefangdaqihelengduanchuliyiqishiyong。qitayishiyonghuadechanpinyoutieyangtishiwenduchuanganqi（測溫範圍為-40℃～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器（測溫範圍為-40℃～150℃，精度為2.0%，5%，響應時間約 20ms）等。

 2．壓力傳感器
壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器
，主要用於檢測氣囊貯氣壓力、傳動係統流體壓力
、注入燃料壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾係統的流體壓力等。目前，致力於汽車用壓力傳感器開發和生產的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器
，LucasNovasensor，HiStat
，NipponDenzo，西門子
，德州儀器等。

比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表麵波式。電容式壓力傳感器主要用於檢測負壓、液壓、氣壓，測量範圍為 20kPa～100kPa，其特點是輸入能量高，動態響應特性好
、環境適應性好；壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大
，需要另設溫度補償電路，但適應於大批量生產
；差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易於數字輸出
，但抗幹擾性差
；聲表麵波式壓力傳感器具有體積小
、質量輕、功耗低
、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數字輸出等特點，用於汽車吸氣閥壓力檢測
，能在高溫下穩定地工作。

德國Infineon公司研製的智能輪胎壓力傳感器KP500內部集成了壓力和溫度傳感模塊，它不需要在傳感器模塊中增加加速度傳感器
，可以在汽車啟動時自動開機進人自檢
，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表麵微機械加工技術集成在0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）上。每個傳感器模塊中的電可擦可編程隻讀存儲器中存儲著惟一的32weixinpianshibiema。xinpianshibiemakeyiyoutongbuchuanxingjiekouduchu，erqie
，keyiyongyubianshigegeluntaiyalichuanganqideweizhi。zaijieshoushujudeshihou，shouxian
，yaojianzhaxinpianshibiema，ruguofaxianxinpianshibiemabufu
，jiufangqishoudaodeshujuzhen。

3．流量傳感器
流量傳感器主要用於發動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數之一。空氣流量傳感器的功能：感知空氣流量的大小，並轉換成電信號傳輸給發動機的電子控製單元。空氣流量的測量用於發動機控製係統確定燃燒條件、控製空燃比、起動
、點火等。空氣流量傳感器有旋轉翼片式
、卡門渦旋式
、熱線式、熱膜式等4種類型。空氣流量傳感器的主要技術指標：工作範圍為0.11m3/min～103m3/min，工作溫度為-40℃～120℃，精度＞1%。燃料流量傳感器用於檢測燃料流量，主要有水輪式和循環球式，其動態範圍為0～60kg/h
，工作溫度為-40℃～120℃，精度為±1%，響應時間＜10ms。

Honeywell的下屬微開關（microswitch）公gong司si用yong熱re微wei細xi加jia工gong技ji術shu製zhi作zuo出chu了le微wei橋qiao式shi空kong氣qi流liu量liang傳chuan感gan器qi芯xin片pian，它ta用yong微wei細xi加jia工gong技ji術shu在zai矽gui圓yuan片pian上shang加jia工gong出chu空kong腔qiang
，鉑bo電dian阻zu懸xuan掛gua在zai空kong腔qiang之zhi上shang。當dang空kong氣qi流liu過guo器qi件jian時shi，發fa生sheng了le從cong空kong氣qi流liu動dong方fang向xiang下xia方fang到dao上shang方fang的de熱re傳chuan輸shu，因yin而er，下xia方fang電dian阻zu被bei冷leng卻que，上shang方fang電dian阻zu被bei加jia熱re，由you電dian橋qiao電dian阻zu變bian化hua可ke測ce量liang出chu空kong氣qi流liu量liang。[page]

4．位置和轉速傳感器
曲軸位置與轉速傳感器主要用於檢測發動機曲軸轉角
、發動機轉速
、節氣門的開度、車速等，為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號
，同時
，提供發動機轉速信號。

目前，汽車使用的位置和轉速傳感器主要有交流發電機式、磁阻式
、霍爾效應式、簧片開關式、光學式
、半導體磁性晶體管式等
，其測量範圍為0°～360°，精度優於±0.5°，測彎曲角達±0.1°。

車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的

，還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高於100km/h時，一般測量方法誤差較大
，需采用非接觸式光電速度傳感器

，測速範圍為0.5km/h～250km/h，重複精度為0.1%，距離測量誤差優於為0.3%。

5．氣體濃度傳感器
氣qi體ti濃nong度du傳chuan感gan器qi主zhu要yao用yong於yu檢jian測ce車che體ti內nei氣qi體ti和he廢fei氣qi排pai放fang。其qi中zhong
，最zui主zhu要yao的de是shi氧yang傳chuan感gan器qi，它ta檢jian測ce汽qi車che尾wei氣qi中zhong的de氧yang含han量liang，根gen據ju排pai氣qi中zhong的de氧yang濃nong度du測ce定ding空kong燃ran比bi，向xiang微wei機ji控kong製zhi裝zhuang置zhi發fa出chu反fan饋kui信xin號hao，以yi控kong製zhi空kong燃ran比bi收shou斂lian於yu理li論lun值zhi。常chang用yong的de有you氧yang化hua鍺zhe傳chuan感gan器qi（使用溫度為-40℃～900℃，精度為1%）、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器（使用溫度為 300℃～800℃）

、固體電解質式氧化鉻氣體傳感器（使用溫度為0～400℃，精度為0.5%），另外，還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結構簡單
、輕巧、便宜，且抗鉛汙染能力強的特點。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩定氧化錯離子體
、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數電極
、不透水層
、電極接觸和保護層構成。其中
，氧化鈣穩定氧化錯由反應濺射法積澱。工作電極和參考電極都由厚膜工藝製作。在理想的A/F點附近的輸出電壓發生驟變，當空燃比變高，廢氣中的氧濃度增加時，氧傳感器的輸出電壓減小

；當dang空kong燃ran比bi變bian低di，廢fei氣qi中zhong的de氧yang濃nong度du降jiang低di時shi，氧yang傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu電dian壓ya增zeng大da。電dian子zi控kong製zhi單dan元yuan識shi別bie這zhe一yi突tu變bian信xin號hao，對dui噴pen油you量liang進jin行xing修xiu正zheng，從cong而er相xiang應ying地di調tiao節jie空kong燃ran比bi，使shi其qi在zai理li想xiang空kong燃ran比bi附fu近jin變bian動dong。

 6．爆震傳感器
爆bao震zhen傳chuan感gan器qi用yong於yu檢jian測ce發fa動dong機ji的de振zhen動dong，通tong過guo調tiao整zheng點dian火huo提ti前qian角jiao控kong製zhi和he避bi免mian發fa動dong機ji發fa生sheng爆bao震zhen。為wei了le最zui大da限xian度du地di發fa揮hui發fa動dong機ji功gong率lv而er不bu產chan生sheng爆bao燃ran，點dian火huo提ti前qian角jiao應ying控kong製zhi在zai爆bao燃ran產chan生sheng的de臨lin界jie值zhi，當dang發fa動dong機ji產chan生sheng爆bao燃ran時shi，傳chuan感gan器qi將jiang爆bao燃ran引yin起qi的de震zhen動dong轉zhuan變bian成cheng電dian信xin號hao，並bing傳chuan給gei電dian子zi控kong製zhi單dan元yuan。檢jian測ce爆bao震zhen有you檢jian測ce氣qi缸gang壓ya力li、發動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃～125℃，頻率範圍為5kHz～10kHz；壓電式爆震傳感器在中心頻率5.417kHz處
，其靈敏度可達200mV/gn，在振幅為0.1-10gn範圍內具有良好線性度。

 7．節氣門位置傳感器
節jie氣qi門men位wei置zhi傳chuan感gan器qi安an裝zhuang在zai節jie氣qi門men上shang，其qi功gong能neng是shi將jiang發fa動dong機ji節jie氣qi門men的de開kai度du信xin號hao轉zhuan變bian成cheng電dian信xin號hao，並bing傳chuan遞di給gei電dian子zi控kong製zhi單dan元yuan，用yong以yi感gan知zhi發fa動dong機ji的de負fu荷he大da小xiao和he加jia減jian速su工gong況kuang。最zui常chang用yong的de是shi可ke變bian電dian阻zu式shi節jie氣qi門men位wei置zhi傳chuan感gan器qi。該gai傳chuan感gan器qi是shi一yi種zhong典dian型xing的de節jie氣qi門men傳chuan感gan器qi，主zhu要yao由you一yi個ge線xian形xing變bian位wei器qi和he一yi個ge怠dai速su觸chu點dian兩liang部bu分fen組zu成cheng。電dian阻zu變bian位wei器qi用yong陶tao瓷ci薄bo膜mo電dian阻zu製zhi成cheng，滑hua動dong觸chu點dian用yong複fu位wei彈dan簧huang控kong製zhi
，與yu節jie氣qi門men同tong軸zhou轉zhuan動dong。工gong作zuo時shi，線xian形xing變bian位wei器qi的de觸chu點dian在zai電dian阻zu體ti上shang滑hua動dong，根gen據ju變bian化hua的de電dian阻zu值zhi，可ke以yi測ce得de與yu節jie氣qi門men開kai度du成cheng正zheng比bi的de線xian性xing輸shu出chu電dian壓ya信xin號hao。根gen據ju輸shu出chu電dian壓ya值zhi

，電dian子zi控kong製zhi單dan元yuan可ke獲huo知zhi節jie氣qi門men的de開kai度du和he開kai度du變bian化hua率lv

，從cong而er精jing確que判pan斷duan發fa動dong機ji的de運yun行xing工gong況kuang，提ti高gao控kong製zhi精jing度du和he效xiao果guo。怠dai速su信xin號hao滑hua動dong觸chu點dian是shi常chang開kai觸chu點dian，隻zhi有you在zai節jie氣qi門men全quan閉bi時shi才cai閉bi合he，產chan生sheng怠dai速su觸chu點dian信xin號hao，主zhu要yao用yong於yu怠dai速su控kong製zhi、斷油控製及點火提前角的修正。

（二）安全係統方麵用傳感器
安全是汽車考慮的首要因素，用於安全方麵的傳感器也很多
，如有用於汽車安全氣囊的微型加速度計，測角速率的表麵微機械陀螺等。

1．微加速度傳感器
目前，安全氣囊是而且將來也是MEMS技術的一個主要應用。所用的矽加速度計的量程一般為50gn。較早的如像摩托羅拉公司用體微細加工技術製作的矽加速度傳感器。

瑞典Henrik等人報道了一種新型的矽微三軸加速度計，其外形結構參數為6mm×4mm×l.4mm
，它有4個敏感質量塊
，4個獨立的信號讀出電極和4 gecankaodianji。taqiaomiaodiliyongleminganliangzaiqihoudufangxiangjuyoufeichangxiaodegangduernenggouminganjiasudu
，zaiqitafangxianggangduxiangduihendaerbunengminganjiasududejiegoutezheng。zaijiasudujidehengjiemianshang

，youyugexiangyixingfushidejieguo，minganliangdehoudufangxiangyujiasudujidefaxianfangxiang（z軸）成35.26°（tan35.26°＝0.707）。

 2．表麵微機械陀螺
傳統的陀螺儀是由高速旋轉的轉子、內環、外環和基座組成
，這種陀螺儀的內外環通常是用滾珠軸承支撐
，這些通常是用機械加工方法製成，需要加工精度高、難度大、而且，做成的陀螺儀體積大、質量重。微機械陀螺是具有複雜的檢測與控製電路的MEMS裝置。SaidEmreA1per等人報道了一種結構對稱，並具有解耦特性的表麵微機械陀螺。該敏感結構在其最外邊的4個角都設置了支承“錨”
，與傳統的直接支承在“錨”shangdeshixianfangshibutong，taliyongyizhongduichengjiegouminganzhiliangkuaizhichengzailianjieliangshang，bingtongguoliangjiangqudongdianjihemingandianjiyoujidilianjiezaiyiqi。yongweiqijianfangzhenruanjianbao（MEMCAD）仿真分析後可知，兩個方向上的振動相互不影響
，所以，這樣的連接方式不用考慮機械耦合。

 該微機械陀螺的平麵外輪廓的結構參數為1mm2，厚度僅為2μm。其工作原理是：當在敏感質量塊上施加一直流偏置電壓，在活動叉指和固定叉指間施加適當的交流激勵電壓時，敏感質量塊將在y軸方向上產生固有振動。當陀螺感受到繞z軸的角速度時，由於科氏效應
，敏感質量塊將產生沿x軸的附加振動。通過測量附加振動的振動幅值就可以得到被測的角速度。在常規的大氣情況下，該敏感結構具有優於0.37°/s的分辨力。

（三）車輛監控和自診斷用傳感器
在車輛監控和自診斷方麵，MEMS技術的一個主要應用將是輪胎壓力監測；其次是應用於冷卻、刹車等係統的傳感器。此外

，還有如像在亮度控製係統中使用光傳感器；在電子駕駛係統中使用磁傳感器、氣流速度傳感器；在自動空調係統中使用室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器；在導向行駛係統中使用方位傳感器
、車速傳感器等。

（四）高溫微電子在汽車中的應用
高溫微電子在汽車發動機控製、氣缸和排氣管、電子懸架和刹車、動力管理及分配等方麵的監控中都起著非常重要的作用。例如：用(yong)於(yu)發(fa)動(dong)機(ji)控(kong)製(zhi)的(de)高(gao)溫(wen)微(wei)電(dian)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)控(kong)製(zhi)器(qi)將(jiang)有(you)助(zhu)於(yu)燃(ran)燒(shao)的(de)更(geng)好(hao)監(jian)測(ce)和(he)控(kong)製(zhi)，它(ta)將(jiang)使(shi)燃(ran)燒(shao)的(de)更(geng)加(jia)徹(che)底(di)，提(ti)高(gao)燃(ran)燒(shao)效(xiao)率(lv)。但(dan)是(shi)，用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)矽(gui)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)製(zhi)作(zuo)的(de)微(wei)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)由(you)於(yu)不(bu)能(neng)在(zai)很(hen)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)工(gong)作(zuo)
，已(yi)不(bu)能(neng)勝(sheng)任(ren)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)在(zai)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)問(wen)題(ti)，必(bi)須(xu)研(yan)製(zhi)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)材(cai)料(liao)來(lai)取(qu)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)。第(di)三(san)代(dai)寬(kuan)能(neng)帶(dai)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)Sic具有高擊穿電場
、高飽和電子漂移速率、高熱導率及抗輻照能力強等一係列優點，特別適合製作高溫、高壓
、高功率、耐輻照等半導體器件。集成的sic傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸
，這樣，能進一步獲得有關燃料燃燒效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明：一旦sic半導體技術能解決好材料
、封裝等技術而得到進一步的發展，SIC功率器件的工作範圍將超過傳統的矽功率器件，而且，其體積比Si功率器件也要小。

 四
、結束語
由於汽車傳感器在汽車電子控製係統中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究
、新材料應用和新產品開發都非常重視。未來的汽車用傳感器技術
，總的發展趨勢是微型化
、多功能化
、集成化和智能化。

基於MEMSjishudeweixingchuanganqizaijiangdiqichedianzixitongchengbenjitigaoqixingnengfangmiandeyoushi，tamenyikaishizhubuqudaijiyuchuantongjidianjishudechuanganqi。suizhenamijishudejinbu，tijigengxiao、造價更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應用在汽車的各個方麵。在未來幾年內，包括發動機運行管理
、廢氣與空氣質量控製、刹車防抱死係統、車輛動力學控製、自適應導航、車輛行駛安全係統在內的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。