MEMS傳感器在汽車行業的應用現狀綜述

葉軍紅

（森薩塔科技常州有限公司，江蘇 常州 213000）

隨著汽車電氣化和智能化的發展，汽車系統越來越多地使用各種不同種類的傳感器和控制系統來提高汽車的安全性、舒適性和可靠性。

汽車傳感器作為信息采集源，主要應用于動力總成系統、車身控制系統以及底盤系統中，對汽車的安全性、燃油效率和排放友好性具有重要意義，對汽車的速度、排放、動力總成、懸架、氣候控制、環境控制等起著至關重要的作用。汽車傳感器主要包括8類不同功能的傳感器：壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和輪速傳感器。

1 壓力傳感器

壓力傳感器在汽車行業的應用主要用于測量進氣歧管、油箱、共軌、燃油噴射、制動液、空調壓縮機、底盤、自適應懸架液壓、輪胎的壓力，其應用的壓力范圍為0~3000Bar。在點火和燃油控制系統中，由于壓力傳感器起著重要的作用，因此其在汽車行業的應用中具有重要意義。表1為壓力傳感器的力敏元件的類型和特點。

表1 壓力傳感器的力敏元件的類型和特點

目前主要的壓力傳感器技術［1］類型分為電容式、電感式、電位式、電阻式和壓電式，其中陶瓷電容式和電阻應變片式（金屬濺射應變片，硅應變片和硅壓阻式）是汽車行業最常用的壓力傳感器技術。

2 溫度傳感器

溫度傳感器［2-5］在汽車行業的應用主要用于測量進氣歧管、燃油、冷卻液、尾氣的溫度，在汽車應用中起著至關重要的作用，其應用的溫度范圍為40~1500℃，見表2。目前主要的溫度傳感器的技術類型分為集成溫度傳感器、熱敏電阻、熱電偶和熱電阻（RTD）。

表2 溫度傳感器的熱敏元件的類型和特點

集成溫度傳感器將PN結等感溫元件集成在硅片上，可在-55~150℃的溫度范圍內具有較高的精度，較好的穩定性和可靠性，良好的線性度，具有電流、電壓、數字3種形式的輸出方式。相較于其他溫度傳感器，硅集成芯片溫度傳感器具有很好的成本效益。

熱敏電阻的傳感技術依賴于NTC或PTC特性電阻的陶瓷氧化物復合材料的制造，隨溫度變化而增加或減少。

熱敏電阻是半導體電阻，其電阻相對于溫度呈非線性變化，對溫度變化高度敏感從而具有極好的精度，因此要快速獲得響應，可以使用小型熱敏電阻。

RTD溫度傳感器通常將正溫度系數金屬（如鉑）粘接在陶瓷上，其電阻隨著溫度升高而增加。RTD溫度傳感器可以測量240~1000℃，具有良好的線性、靈敏度、響應時間、高精度和使用壽命，但RTD溫度傳感器與其他溫度感應技術相比，其生產成本很高。

3 氣體濃度傳感器

氣體傳感器［6-9］在汽車行業有兩個主要應用方向：①測量排放廢氣中氧氣的濃度，通過在排放控制系統上安裝氧傳感器，從而對有毒廢氣的排放量進行監測和控制；②測量排放廢氣中碳氧化物、氮氧化物和氫氣等其他廢氣的濃度。

氧傳感器用于測量排放廢氣中氧氣的濃度，從而保證合適的空燃比。目前主要的氧傳感技術類型分為氧化鋯、氧化鈦和氧化錫。

汽車中常用的另一種氣體傳感器是空氣質量傳感器。它將檢測其他氣體的濃度，如CO和NO在空調系統的進氣。空氣質量傳感器在暖通空調系統中起著至關重要的作用。金屬氧化物（SnO2，ZrO2、TiO2）氣體傳感器在微結構固態硅半導體技術中的原理圖如圖5所示。金屬氧化物半導體氣體傳感器的主要優點是被測氣體靈敏度高、壽命長、生產成本低、對溫度和濕度的依賴性小。

由于微電子機械系統（MEMS）金屬氧化物氣體傳感器具有成本低、功耗低、穩定性好、響應速度快、重現性好等優點（表3），廣泛應用于汽車工業的大批量生產。

表3 氣體傳感器的氣敏元件的類型和特點

4 位置傳感器

位置傳感器［10］在汽車行業的應用主要用于測量發動機節氣門角度、轉向盤角度、燃油液位、加速度計和制動踏板位置、變速桿位置、變速器齒輪位置、可變氣門位置、離合器位置、電機位置、座位位置和廢氣再循環（EGR）閥位置。

基于傳感技術的位置傳感器（表4）分為基于電阻或電位的位置傳感器、基于霍爾效應的磁性位置傳感器、電容式位置傳感器、光學位置傳感器、各向異性磁阻（AMR）位置傳感器、巨磁阻（GMR）位置傳感器和磁致伸縮線性位置傳感器。

表4 位置傳感器的類型和特點

電位計式位置傳感器與運動目標進行物理接觸來獲取目標物的位置信息，這是它的主要缺點（易磨損），但在各種類型的位置傳感器中是最便宜的位置傳感器。

霍爾效應位置傳感器利用了一個磁路的特性，其中霍爾電壓是作用在傳感器上的磁通密度和施加在傳感器上的偏置電流之間角的函數。霍爾效應位置傳感器得益于其低成本，但它們只能用于開關類型的應用，不能提供運動目標的詳細位置信息。

各向異性磁阻位置傳感器的工作原理是：當外部磁場相對于傳感器元件旋轉時，傳感器的電阻發生變化。另一方面，巨磁阻位置傳感器的工作原理是直接檢測磁場，而不是依賴于磁場的變化率。

5 速度傳感器

在汽車應用中，速度傳感器［11-13］用于測量發動機曲軸、凸輪軸和車輪速度。轉速傳感器對發動機管理系統的性能起著至關重要的作用，因此利用轉速傳感器精確檢測凸輪和曲柄的位置是十分必要的。速度傳感器還可用于控制變速器的輸入/輸出，軸速可用于電子控制換擋。測量車輪速度的優點是：速度傳感器的輸出可以為車輛穩定性系統、防抱死制動系統和牽引力控制系統提供輸入信號。

用于汽車的速度傳感器應該能夠承受惡劣的環境條件，如高環境溫度、強振動、污垢和潮濕。在汽車應用中，巨磁阻（GMR）效應的傳感器因其良好的魯棒性、無接觸以及對灰塵和濕氣的不敏感性而受到青睞。表5為速度傳感器的類型和特點。

表5 速度傳感器的類型和特點

6 空氣流量傳感器

質量氣流傳感器［14-15］用于汽車發動機中測量進入發動機的瞬態和穩態質量氣流。發動機的燃燒過程可以通過混合適當比例的燃料與進氣的質量流量來控制。因此，對進入發動機的空氣質量流量的精確測量有助于確定進入發動機的燃料流量，從而控制車輛的可駕駛性、性能和成本的排放。

發動機中使用的空氣流量傳感器有4種：翼片式空氣流量傳感器、卡曼渦式空氣流量傳感器、熱線式空氣流量傳感器和熱膜式流量傳感器。表6為空氣流量傳感器的類型和特點。目前主流的空氣流量的測量主要分為發動機轉速/空氣密度法、直接測量空氣質量流量法和真實測量空氣質量流量法。

表6 空氣流量傳感器的類型和特點

7 慣性傳感器

慣性傳感器提供了確定車輛運動狀態的信息，在安全和底盤控制系統這兩種不同的汽車應用中起著至關重要的作用。用于安全系統的慣性傳感器可以用表面蝕刻技術開發，用于底盤控制系統的慣性傳感器可以用批量微加工技術開發。

汽車陀螺儀［16-17］是應用廣泛的慣性傳感器，涉及MEMS技術、ASIC技術、微加工與半導體技術、模擬與數字信號處理、電子集成與封裝、電子網絡接口等技術。陀螺儀廣泛應用于汽車安全系統中，品質和可靠性是最重要的，以避免意外車輛移動而危及乘客。陀螺儀的優點是體積小、單位設備生產成本低。表7為慣性傳感器的類型和特點。

表7 慣性傳感器的類型和特點

8 結束語

推動傳感器在汽車行業應用的主要因素是法規、安全、舒適方便和最佳的駕駛性能，因此傳感器在動力系統、底盤系統和舒適方便系統中發揮著重要作用。由于用戶在安全、舒適和方便方面的需求不斷增長，傳感器在汽車市場的前景是廣闊的。本文對MEMS汽車傳感器進行了廣泛研究，這些傳感器用于測量汽車中的溫度、壓力、氣體濃度、速度、慣性、質量氣流速率，并將在未來廣泛地應用在汽車行業中。