車用MEMS傳感器的應用及前景分析

摘 要：為滿足汽車業的高速發展，MEMS傳感器技術被廣泛運用在汽車各個部件上。本文介紹MEMS傳感器技術在汽車上的三大應用，主要講述MEMS壓力傳感器的應用，并闡述了對未來MEMS傳感技術的展望。

關鍵詞：MEMS傳感器；壓力傳感器；汽車傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0057-02

Abstract：In order to meet the rapid development of the automotive industry，MEMS sensor technology is widely used in various parts of automobiles. This paper introduces the three applications of MEMS sensor technology in automobile. It mainly describes the application of MEMS pressure sensor and the prospect of MEMS sensor technology in the future.

Keywords：MEMS sensor；pressure sensor；vehicle sensor

1 MEMS傳感器技術的概念及發展現狀

MEMS傳感器及微機電系統，也叫作微電子機械系統，指的是僅有幾毫米大小的裝置。它是一個獨立的智能系統，其內部結構都以微米甚至納米為計量單位。MEMS的前身是微電子技術，是融合各種精密的機械加工制作而成的電子器件。MEMS系統具有微型化、能夠批量生產、集成化程度高等眾多優點，這使其成為世界矚目的科技之一，其應用涉及機械、物理、化學、生物、醫學、電子等眾多領域，服務，具有廣闊的應用背景。MEMS傳感技術的誕生，在微米量級的條件下應用于傳統傳感器所不能及的地方。

2 MEMS傳感器在汽車上的應用

隨著人們生活質量的提高，對車的要求也越來越高，人們對汽車安全性能、舒適程度、智能化以及經濟實惠等方面要求都越來越高，這就給MEMS傳感器技術發展帶來巨大空間。MEMS傳感器可分為生物傳感器、物理傳感器和化學傳感器三個種類，對于如今的汽車來說，物理傳感器運用最為廣泛，一些高端車型才能擁有一些生物傳感器或者是化學傳感器。MEMS傳感技術在汽車上主要有：加速度傳感器、壓力傳感器、化學傳感器、氣體傳感器等應用方向。隨著科學技術的不斷發展，MEMS傳感技術的指標性能也不斷加強提升，應用在車體的范圍也會越來越廣。例如MEMS壓力傳感器主要應用在汽車的各個部件，例如發動機機油壓力測量、燃油壓力測量、進氣管壓力測量以及氣囊和輪胎的壓力測量。如今汽車上的MEMS傳感器技術越來越成熟，給汽車行業帶來許多便利，更為用戶帶來了經濟、安全、舒適、智能化的體驗。

2.1 MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器在汽車上的應用主要有壓阻式、電容式、聲表面波式等，最常用的就是硅擴散型壓阻式。它是以單晶硅為材料制作的，構成原理是在整個材料中間制作一個力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質形成四個電阻，再用惠斯頓電橋的方式將這四個電阻連成一個電路，通過將力轉換為電信號的方式實現檢測。這種MEMS壓力傳感器的電壓在0～5v之間，根據力敏膜的厚度來決定測量的大小范圍。

目前汽車上的壓力傳感器有很多：歧管壓力測量，用來控制空燃比，控制廢棄循環等；大氣壓測量，用來修正空燃比；氣缸內氣測量，用來控制爆震；燃油噴射壓力測量；充氣壓力測量，安全氣囊系統；輪胎氣壓，輪胎氣壓的監控等。

汽車的輪胎就好比人的雙手雙腳，面對公路異常情況，天氣濕度溫度變化以及突發狀況等，都需要對輪胎進行準確的測量監控。對于胎壓不穩的狀況需要及時補換輪胎，否則可能會造成巨大的損失。TPMS輪胎壓力監控系統是一種新型的無線傳輸技術，它分為兩種方式監控輪胎。第一是直接監控，是指將壓力傳感器TPMS直接安裝在輪胎上測量輪胎內的壓力，再通過無線發射器的方式傳輸胎壓進行監測；第二種是間接測量，這種測量方式是通過汽車的ABS的輪胎轉速來比較測量，輪胎內部的壓力或大或小，就會導致輪胎的轉速產生差別，并以此來發出警報。在汽車上裝TPMS壓力傳感器越來越普及，在將來這種技術將會成為每輛車的標配。

汽車的機油壓力傳感器是對汽車的機油壓力進行測量的裝置，將壓力傳感器裝載在發動機的主油道上，當發動機開始運行時，檢測開始，將壓力轉換為電信號傳送，經過電壓電流放大之后，與之前設定好的標準壓力進行比較，隨后測出是低于標準還是高于標準，及時進行報警處理。這種MEMS壓阻傳感器對傳統的彈性應變傳感器等測量機油壓力的好處在于靈敏度高、測量的范圍廣、輸出的信號強。

2.2 MEMS加速度計

MEMS加速度計是用一個平行的梁，一端固定，另一端懸掛一個質量約為10μg的小球，利用牛頓經典力學的原理，當有一個垂直的加速度時，小球運動。這時，對加速度敏感并轉換為電信號，通過電容-電壓的轉變，放大輸出測得加速度。MEMS加速度傳感器在汽車許多地方得到了應用，例如汽車的防盜系統，當車輛停放好后，受到外界的拖動力，導致加速度發生變化，從而能觸發汽車的報警裝置。還有對于安全氣囊的彈出方向的測量，在內部裝上不同方位的MEMS加速度小球，不同方向的加速度變化可以讓安全氣囊識別撞擊是從哪個方向來的，從而根據方向彈出，具有非常強烈的應變能力。國內在微加速度傳感器上也做了大量的工作，如清華大學微電子開發的諧振式微加速度傳感器，采用電阻熱激勵，壓阻電橋檢測的方式對信號進行有效檢測。

2.3 MEMS陀螺傳感器

微機械陀螺儀的工作原理是角動量守恒的原理，當物體不停地徑向變化移動，來回震蕩等，相對應的科里奧利力就不停地橫向變化。通常MEMS陀螺儀有兩個電容板，處于兩個方向并且可以移動，當感受到力的時候，電容就會發生變化，從而可以測得角速度。雖然陀螺傳感器的研究起步較晚，但是增長勢頭不亞于其他幾種傳感器。MEMS陀螺傳感器被廣泛地運用在汽車行業，例如GPS導航系統，以及安全制動燈技術，當汽車發生轉彎時，方向盤所轉動的方向力過大，會被陀螺傳感器所識別，就會自動制動汽車輪胎轉動角度，從而減少危險發生的幾率，當然這樣的技術目前只運用于高檔車輛，在未來的智能化汽車中會得到更加廣泛的運用。

2.4 MEMS氣體濃度傳感器

氣體濃度傳感器也是汽車眾多傳感器中最重要和最典型的一種。MEMS氣體濃度傳感器主要用于檢測汽車內的氣體和排放的氣體。最重要的是氧傳感器，測試排放廢氣中的氧氣含量，然后反饋信號計算空燃比。一般情況下汽車使用的氧傳感器有鍺傳感器、固體電解質式氧化鉻氣體傳感器、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器、二氧化鋯氧傳感器以及二氧化鈦氧傳感器等，這些都是基于敏感材料吸附原理所選取的。對于上述的幾種傳感器來說，氧化鍺傳感器使用溫度為-40～900℃，范圍較大，但是相比之下二氧化鈦氧傳感器具有結構簡單、材質輕巧、價格低廉，還有抗鉛污染能力強的特點。它的工作原理是當空燃比變高時，排放廢氣的氧濃度增加，這樣氧傳感器輸出的電壓減少，相反則增大。然后中心控制能夠采取識別變化，對噴油量進行調節，從而變相將空燃比調節在合適的范圍指數內。

3 對汽車MEMS傳感器應用的展望

MEMS傳感器技術在汽車領域運用廣泛，運用的范圍也不斷增加，技術越來越成熟，科技越來越創新，功能也越來越強大。MEMS技術正在向高技術、高精度、高集成、高性能、智能化、微型化等方面趨近。但是對于未來更加新型化的技術以及中國改革創新的歷史使命來說，仍需要有一些更高的要求。

3.1 普及化，經濟化

大多MEMS傳感器技術僅僅用于高端汽車行業，并未真正普及，原因還是成本過高，如何降低成本，讓更多的大眾化汽車使用高端的傳感器，并且能賣出平民化的價格，這是一個值得研究的方向，因此傳感器技術的設計仍需不斷創新發展。

3.2 智能化

現在各個行業趨向的是人工智能化，減少人工繁瑣操作，趨向于簡單輕便，汽車行業也是如此，這就需要傳感技術趨向智能化方向，使分析、傳送、處理、糾正一體化，為人們提供智能化服務。

3.3 集成化

對于汽車來說，裝備較多傳感器是非常繁瑣的事情，一旦出現問題就需要花費大量的人力物力去尋找問題以及處理問題。甚至一些高端車型為保證車輛的高效智能，裝了近百個傳感器，一旦更新換代或者需要維修就要花費大量人力財力。將更多的傳感器集于一體是未來的車載傳感器必然的發展趨勢。

當然，蒸蒸日上的科技水平值得我們倍感欣慰，科技運用于生活，人們的生活質量也變得更加美好，與此同時，腳踏實地穩步發展是我們不可忘記的根本。

參考文獻：

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作者簡介：秦旭（1996.11-），男，漢族，江蘇揚州人，本科。研究方向：電子信息工程。