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湿度传感器在汽车中的应用
来源:中国自动化网

本节将对微型传感器在汽车中的主要应用方向进行分析,它们包括安全系统、提高舒适性/方便性/防盗、发动机/驱动链以及车辆监控和自诊断等四个方面。

    安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化,先决条件则是各种信息的及时获取,这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大,成本高,它们在汽车的应用受到很大的限制。
   
    近年来从半导体集成电路(IC)技术发展而来的MEMS (Microelectromechnical System, 微电子机械系统)技术日渐成熟。利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器,这些传感器的体积和能耗小,可实现许多全新的功能,便于大批量和高精度生产,单件成本低,易构成大规模和多功能阵列,这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。
                 
    80年代初,微型压阻式多路绝对压力(Manifold Absolute Pressure)传感器开始大批量生产,取代了早期采用LVDT技术的压力传感器。80年代中期微型加速度传感器开始用于汽车安全气囊,它们是到目前为止大量生产的、并在汽车中得到广泛应用的微型传感器。然而微型传感器的大规模应用势必将不限于发动机燃烧控制和安全气囊,在未来5~7年内包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS(antilock brake system,防抱死系统)、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统(如气囊和障碍物检测与避撞等)在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场。
                 
    全世界的汽车产量将从2000年的4750万辆(包括客车、特种车辆和轻型卡车)增长到2005年的5400万辆。2000年汽车用电子产品的市场为227亿美元,预计到2005年达到309亿美元,年平均增长率达到6.3%。相应的每部汽车在电子产品方面所花费的成本从2000年的477美元增加到2005年的572美元。
                 
    据文献报道,2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品),到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件),增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计)。2000年北美所占汽车传感器市场份额最大,为47%,接下来分别是欧洲(26%),日本(22%),和韩国(5%)。
                 
    速度和位置传感器占2000年全部汽车传感器市场(以美元计)的38%,接下来是氧气传感器(20%)、空气质量流量传感器(13%)、加速度计(11%)、压力传感器(10%)、温度传感器(5%)及其他(3%)。
                 
    2000~2005年度汽车传感器的主要增长领域包括以下几个方面:用于车辆动力学控制和安全气囊的加速度计;用于传动、刹车、冷却、轮胎、燃油等方面的压力传感器;用于车辆动态控制、翻车报警和GPS后备的偏航速率传感器;用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器;车厢环境监控的湿度传感器;日光、雨水和湿度传感器;用于近距离障碍物检测和避撞的测距传感器。
                 
    汽车部件需要满足多项环境、可靠性和成本等方面的要求。具体来说,它们一方面必须能经受各种高低温、振动、冲击、潮湿、腐蚀性气氛、电磁干扰等不利因素的考验;另一方面也必须适于大批量生产,一般要达到每年一百万件以上,这不仅是汽车量产的需求,也是收回设计和制造方面的巨额投资所必需的。此外,其可靠性也应与汽车高达10年/15万英里的使用寿命相一致。总而言之,汽车部件是“军品的质量,民品的价格”。
                 
    绝大多数微型传感器采用硅材料。众所周知,硅材料容易获得很高的纯度,有良好的机械性能且重量较轻,本身具有光电效应、压阻效应和霍尔效应等多种传感特性,且便于制作信号敏感与处理电路集成的传感器。微型传感器的主流工艺是硅基微机械加工工艺,它来源于已经成熟的半导体工艺,可以同时加工出大量几乎完全相同的机械结构。因此,除了具有体积小、重量轻、能耗低等优点外,微型传感器的可靠性较高,其供货价格也可以远远低于采用传统机电技术和工艺的传感器。MEMS技术势必将成为汽车传感器的主流技术。最近的Roger Grace Associates/Nexus报告估计汽车用MEMS产品的销售额将从2000年的17.5亿美元增加到2005年的22.7亿美元,年均增长率为16.9%。
                 
    由于基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势,它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。早期的多路绝对压力传感器已经基本为微型化的传感器所替代,目前这种传感器的敏感元件和信号处理电路已经可以集成在同一芯片上,从而大大缩小了体积并可以提高可靠性和减小干扰。
                 
    在其它压力敏感应用,特别是恶劣环境中(如置于发动机油和散热器冷却剂中的),一般采用分立元件构成的陶瓷电容式压力开关,它们现在将逐步被用键合方法制作的硅应变计(一般固定在成本低而坚固的封装中)或压敏电阻芯片(装在带不锈钢膜片端盖的充满硅油的硅制外壳中)所替代。目前可以提供这类产品的厂商有Keller,Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco以及Integrated Sensor Solutions(ISS)/Texas Instruments。质量流量传感器通常是用分立的热线构成的,而目前Bosch公司利用表面微机械方法制[em10]
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