關于智能傳感器與汽車電子的分析

摘要：現(xiàn)代汽車電子從所應用的電子元器件到車內電子系統(tǒng)的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。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，預期很快將達到50%。
        電子信息技術已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導因素，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)及結構和電子產(chǎn)品、信息技術間的完美結合。汽車工程界專家指出：電子技術的發(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注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內音響、視頻裝備，車用通信、導航系統(tǒng)，以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)等車內電子設備的本質改變較少外，現(xiàn)代汽車電子從所應用的電子元器件（包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等）到車內電子系統(tǒng)的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。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)調到整體運行的最佳狀態(tài)。
        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。現(xiàn)在，國內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：
        1.1 電子操控系統(tǒng)的動作必須快速、正確、可靠。傳感器（+調理電路）+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保控制單元動作的正確性、可靠性和適時性。
        1.2 現(xiàn)在幾乎所有的汽車的機械結構部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內的空間有限，構件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制部件緊密結合，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。
        1.3 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”。
        1.4 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、自補償調整的能力。
        1.5 與上述要求同樣重要，甚至有時是關鍵性的條件是，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準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。在我國的報刊雜志上目前所使用的技術名稱還比較含混，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。這里介紹當前一些歐美專著中常用的技術名詞的定義和技術內涵。
        首先必須說明的是，在絕大多數(shù)情況下，本文大小標題及全文中所說的傳感器其實是泛指了三大類器件：將非電學輸入?yún)⒘哭D換成電磁學信號輸出的傳感器；將電學信號轉換成非電學參量輸出的執(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參量形式轉變成另一種電磁學參量形態(tài)輸出的變送器。就是說，關于微傳感器、智能傳感器的技術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，而是基于半導體工藝技術的新一代器件：應用新的工作機制和物化效應，采用與標準半導體工藝兼容的材料，用微細加工技術制備的。因此有時也稱為硅傳感器�？梢杂妙愃频亩x和技術特征類推描述微執(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)。應該指出的是，采用這種兩片的解決方案可以縮短設計周期、降低開發(fā)前期小批量試產(chǎn)的成本。但對實際應用和市場來說，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，自動調整和補償適應環(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準硅平面工藝一致�？梢栽谡９に嚵鞒痰耐镀埃蛄鞒讨�，或工藝完成后增加一些特殊需要的工序，但也不應太多。
        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。
        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換成的電信號極弱，必須直接和及時移位寄存、并處理轉換成標準的圖像格式信號。還有更復雜一些的，在中、高檔長焦距（IOX）光學放大數(shù)碼相機和攝像機上裝備的電子和光學防抖系統(tǒng)，特別是高端產(chǎn)品中的真正光學防抖系統(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，進而驅動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學系統(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、微電子學電路（信號處理、控制電路、通信接品等）和微執(zhí)行器構成一個三級級聯(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)行機構等微機械部件的器械則稱之為MEMS。
        MEMS芯片的左側給出的是制備MEMS芯片需要的基本工藝技術。它的右側則為主要應用領域列舉。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、設計理念和工藝流程，也即采用常規(guī)標準的CMOS 工藝與二維、三維微細加工技術相結合的方法，其中也包括微機械結構件的制作。
        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，涵蓋各大領域。其中包括全光光通信和全光計算機的關鍵部件之一的二維、三維MEMS光開關。
        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的成熟的最佳方案。市場上可買到的MEMS光開關已達1296路，開關轉換時間約為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。技術產(chǎn)業(yè)界普遍認為，它們的開發(fā)成功和投入實際應用將對工業(yè)技術和生活質量產(chǎn)生深遠的影響。

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