传感器在汽车上的应用及发展

传感器在汽车上的应用及发展

1 前言

随着现代电子技术的发展，汽车的电子化程度越来越高，特别是电子计算机控制系统在汽车上的应用，使汽车的使用性能得到了明显改善和提高。但是，由于人们对现代汽车安全、舒适、环保、经济性、动力性及自动化程度等性能要求的逐步提高，使得汽车必须能够实现对各部位进行精密的自动控制，而实现精密控制的第一信号源就是各种各样的传感器。汽车传感器作为汽车电子计算机控制系统的重要组成部件，其使用数量和技术性能的好坏，直接影响汽车电子控制系统的工作状况。普通汽车上大约安装几十只传感器，而高级豪华轿车上的传感器数量可达200多只，这些传感器主要分布在汽车各大系统中。汽车电子化越发达，智能化程度越高，对传感器的依赖性也就越大，因此，传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。 2 车用传感器的作用及性能要求

传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。它可把物理量、电量和化学量等信息变换成计算机能够理解的电信号，这种变换包括能量形式的变换，所以也称为换能器。汽车传感器是安装于汽车上，用来感测行车过程中外在变化的传感器。汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况的信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电信号输给计算机，使汽车处于最佳工作状态。

传感器的精度及可靠性对汽车而言是非常重要的两个参数，一般说来，车用传感器性能主要有以下要求： （1）精度要求高

对于车用传感器的精度要求1%或1%以下，要求在-40～+120°C 的范围内能长期工作， 耐振动为150～2000Hz，耐冲击能达到从1m高处落在混凝土上而不引起精度的下降，并能抗电磁干扰、耐腐蚀。 （2）环境适应性强

汽车的使用环境非常恶劣，有来自发动机产生的热、振动、汽油或柴油的蒸气，以及轮胎的污泥、飞溅的水花，可概括为温度、湿度等气候条件，振动冲击等机械条件，电源、电磁干扰等电气条件，或简单地归纳为温度、湿度、振动等物理环境，过压电磁波等电气环境。不同的环境，对传感器提出不同的要求。 （3）稳定性好

汽车的交通事故和人的生命息息相关，因此车用传感器有高可靠性要求，另外，国家对汽车排气成分，如在CO、NOx 等成分的含量方面有严格规定，在正常情况下符合标准，而且还要求完成了规定行驶距离以后，仍然能达到排气标准。 3 车用传感器的应用

车用传感器所检测的信息包括车辆运动状态以及驾驶操纵、车辆控制、运动环境、异常状态监控等所需信息。汽车电子控制系统上应用了多种传感器，在这些传感器的共同作用下，汽车电子控制系统对发动机、底盘、行驶安全、信息传输等进行集中控制。 3.1 MEMS 传感器在汽车上的应用

MEMS 是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，其研究开发主要集中在微传感器、微执行器和微系统三个方面，用此技术研制的五花八门的微传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易生产、成本低的优势，可以测量各种物理量、化学量及生物量。在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，技

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术上日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。 (1) 压力传感器

最流行的汽车 MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理，用单晶硅作材料，以MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成4只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度，其输出大多为0~5V模拟量，测量范围取决于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，易于批量生产，力敏芯片受温度影响性能采用调理电路补偿。可用于测量进气歧管压、大气压、油压、轮胎气压等，表1示出一些主要用途。

表1 汽车压力传感器用途

(2) 微加速度计

微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个小质量物体块（约10mg），无加速度时质量块不运动，而当有垂直方向加速度时，质量块运动，对加速度敏感，并转换为电信号，经C/V转变、放大相敏解调输出。按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。

电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单，在汽车安全气囊系统和防滑系统获得广泛应用，电容式微加速度计质量块在有加速度时向下运动，与边框上的另一个电极的距离发生变化，通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移，主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状的折叠梁式，并变异成其它类型。前者结构相对简单些，制作上也多采用体硅加工方法，简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成，用半导体平面工艺各向异性腐蚀，静电封接技术封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并、串组合，设计上要复杂得多，微加工方法则以表面牺牲层技术为主，多晶硅材料的各向同性性质可保证微机械性能的对称性，批量加工精度高，采用这种结构的敏感部分尺寸做得很小，实现与外围电路的单片集成。 (3) 微机械陀螺

微机械陀螺是一种振动式角速率传感器，在汽车领域的应用开发倍受关注，主要用于汽车导航的GPS 信号补偿和汽车底盘控制系统。

微机械陀螺中有两个振动模式，一个是横向振动模式，即驱动振动模式，通常称为参考振动，在科氏力作用下会产生附加运动；另一个是法向振动模式，即敏感振动模式，对反映科氏力的附加运动的检测，获得包含在科氏力中的角速率信息。按所用材料，微机械陀螺分为石英和硅振动梁两类，石英材料结构的品质因数Q值最高，陀螺特性最好，但石

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英加工难度大，成本很高。硅材料结构完整，弹性好，比较容易得到高Q值的微机械结构，成为当前低成本研发的主流。

从硅微机械陀螺的结构上，常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等，用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由于科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、电容检测的陀螺设计最为常见，已有部分产品研制成功。 3.2 侧向倾斜角度传感器在汽车上的应用

汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事故的一种有效方法，是提高汽车安全性的重要措施，特别是越野车、双层客车等重心较高的汽车更有必要。

利用重力原理制造的角度传感器如图1所示。摆动部分的质量为m，重心距转轴的距离为L，当汽车车体倾斜或做曲线运动时，均能使摆动部分偏转。设图1中的受力分析是无任何摩擦的理想状态下，力F为下滑力F1和向心力F2共同作用的结果，力F与倾翻力成正比，所产β生的偏转角度β也就与倾翻力成正比。摆动部分所受重力G与F的合力T

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是摆杆所受拉力，摆动角度β=tg(F/G)，与L 无关，当质量m一定时，β只与F有关，且成正比。实际上，由于存在转轴等处的摩擦，则L越长，摆动转矩越大，精度越高。

图1 角度传感器

角度传感器在控制系统中通常作为采样元件，其性能的优劣对整个系统起着重要作用。电位器式角度传感器已在各种控制系统中广泛应用，但它的缺点是存在触点的滑动磨损和电噪声；磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件，特点是无触点，当摆动部分偏转时，通过磁敏电阻的磁通量发生变化，使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化，从根本上消除了电噪声，并使精度得以提高。

各种角度传感器都具有阻尼功能，使得对所测得角度的响应有一个短暂的延时，对控制系统来讲是有益处的。 3.3 车用雨量传感器的应用

雨量传感器通过自动检测降雨的强度，利用先进的光学传感技术、模拟信号处理技术、模式识别、预测控制算法，实时检测、分析、判断、控制刮水系统在合适的模式下工作。

车用雨量传感器检测雨量的方法有电容式、红外散射式。如图2、图3所示。正常天气情况下，电容式传感器有一固定的电容值，当有雨下到电容的栅极之间时，改变了电容的介电常数从而改变电容值，以此判断雨量的大小。红外散射式是目前产品化雨量传感器的主要工作方式，传感器自身发出红外光线透过玻璃入射到玻璃外表面，当有雨时，雨滴对光产生散射，从玻璃射回传感器接收端的光线变弱，从而判断是否下雨、雨量大小。

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图2 电容式雨量传感器 图3 红外散射雨量传感器

红外散射式雨量传感器工作原理如图4所示,红外散射式雨量传感器分成了几个不同的部分,光学元件（Optical Element）通过硅胶垫粘贴在前挡风玻璃的内侧,通常在内视镜支架座的下方。发射管、接收管在雨量传感器的PCB板上，雨量传感器通过机械锁止机构固定在光学元件上。通常,光学元件、传感器、内视镜支架会由一装饰盖整个包住，从乘客舱内看不出任何区别，在视觉上不会对驾驶员造成任何影响。由图4可以看出，光学元件的导光面为一抛物面，这样如果发射管、接收管均放置在抛物面的焦点上的话，则通过光学元件入射到挡风玻璃上的光线可以认为是平行光线。

图4 红外散射式雨量传感器工作原理

雨量传感器为相对量测量，在玻璃外表面干燥的情况下，认为发射管发出的光平行入射到挡风玻璃上后被100％反射回来，通过光学元件汇聚后由接收管接收。在前挡风玻璃外表面干燥的情况下，首先对传感器进行初始化，由此可以得出在固定发射电流情况下接收的光强度。在这种情况下，光的强度通常比较高。当挡风玻璃外表面有雨滴时，入射到挡风玻璃上的光线被部分散射掉，反射后接收管的光线变少，雨量越大则反射回来的光线越少。通过与挡风玻璃干燥情况下接收光强的比较，就可以得出目前挡风玻璃上水滴的大小、多少，进而可以判断出不同的下雨模式，发出刮水请求至车身控制器BCM或者独立的控制器，控制刮水器完成间歇刮水、低速连续刮水以及高速连续刮水。 3.4 氧传感器在汽车上的应用

针对越来越严重的汽车尾气污染问题，汽车用氧传感器作为汽油发动机电子控制燃油喷射技术的关键零部件之一起到举足轻重的作用。目前, 汽车用氧传感器主要包括浓差电

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池型ZrO2 传感器、极限型ZrO2传感器、半导体型TiO2传感器。 （1） 浓差型ZrO2氧传感器

浓差型氧传感器是基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势, 浓差电势大小利用能斯脱公式可得

ERT/4Flnpo2 po2式中E为传感器浓差电势(V)；R为气体常数( 8. 314 J/ (mol*K) )；T为工作温度(K)；F为法拉

第常数； po2 (I)为气体参比氧分压值; po2(II)为气体被测氧分压值。 若参比气体为空气(即氧分压为已知)，工作温度T = 973 K 时, 则有

E42.261lg20.6

po2浓差式ZrO2氧传感器是比较成熟的产品，已被广泛应用于许多领域, 特别是汽车发动机的空燃比三元催化系统。对于汽车用浓差式ZrO2氧传感器其结构一般由产生浓差电势ZrO2电解质管、内外电极层、以及防止ZrO2管损坏的不锈钢套筒组成，如图5所示。

图5 汽车用浓差式ZrO2氧传感器结构示意图

ZrO2管的内外表面均涂覆有一层金属铂。铂既可以作为电极又具有催化作用。 CO+1/2O2——CO2

就靠这种作用，当空燃比接近理论值时，铂的表面从O2为过剩的状态变化为零的状态。电解质两边氧浓度之比急剧变化, 浓差电势也急剧变化。特性如图6所示。

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图6 浓差式氧传感器的输出特性

（2） 极限型ZrO2氧传感器

极限型极限型ZrO2氧传感器是近年来研究开发很活跃的一种新型氧传感器。用在汽车发动机空燃比控制的稀薄燃烧系统中的ZrO2极限式氧传感器已见报道。它的结构和ZrO2浓差式氧传感器的结构相似。其差异处为: 用一带孔的陶瓷帽( 或扩散层) 罩住泵电池的阴极, 气体要通过小孔从环境中扩散到阴极, 由于空隙足够小, 氧气在孔中的扩散成为极限电流的控制步骤，如图7所示。

图7 氧化锆极限式氧传感器结构

这种传感器是在ZrO2固体电解质施加适当电压时, 与待测气体有小孔相连的小室内氧形成氧离子(O2+ ) 被抽到另一侧, 这时在电极电路中有电流通过。增大电压, 流经回路的电流随之增大, 待电压超过某一数值时, 电流不再增大而达到极限值, 该极限电流的大小与继续增加的电压无关, 而与被测环境中氧分压成正比, 并且该极限电流值I1完全取决于氧向小室扩散的速率。

I14FSDO/RTLpo2

2式中DO2为氧气的扩散系数; S为小孔截面积；L为小孔长度; po2为待测氧分压; F为法拉第常数; T为工作温度(K) ; R 为气体常数( 8. 314 J/ (mol *K) )，V-I1关系见图8。

图8 氧化锆极限式氧化传感器在不同氧气分压下的V-I1图

（3） 半导体型TiO2传感器

半导体型TiO2传感器的工作原理，是基于外界大气中氧分压的变化会引起氧化物半导体表面的氧化或还原而引起氧化物半导体电阻的变化，即

RtAexpE/KT•po2

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式中Rt为TiO2氧传感器电阻的变化；A为常数；E为活化能，与晶格缺陷的形成有关； T为温度；K为Boltzman常数；po2为待测氧分压。用于汽车控制的TiO2氧传感器其结构如图9所示。

图9 TiO2氧传感器的结构

在陶瓷绝缘体的前端设置TiO2元件，TiO2氧传感器阻抗特性如图10所示。

图10 TiO2氧传感器的阻抗特性

4 车用传感器的发展趋势

由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。利用微电子机械系统(MEMS)技术和计算机辅助设技术可以设计出低成本、高性能的微型传感器。智能化传感器能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统，具有自诊断、多参数混合测量、误差补偿等特点。多功能化是指将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化传感器，并且体积小巧、能检测两个或两个以上的特性参数或者化学参数，提高系统可靠性。开发新材料是传感器技术的重要基础，现在光导纤维、纳米材料、超导材料等新型材料的出现为传感器的发展开辟了新天地，随着研究的不断深入，将会有更多更新的传感器材料被开发出来。传感器的功能不仅与其材料有关，还与其加工技术有关，微机械加工技术已越来越多地用于传感器制造工艺。随着现代制造技术的发展，将会有更多的先进制造技术应用到汽车传感器的制作中。传感器的工作原理是基于各种物理、化学、生物效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制具有新原理的新型传感器。这是发展低成本、高性能、多功能和微型化传感器的重要途径。

在今后的汽车业竞争中，汽车电子产品的作用将是举足轻重的，汽车传感器市场将继续保持高速增长的态势。以MEMS（微电子机械系统）技术为基础的微型化、多功能化、集成化、智

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能化和低成本化的新型传感器将逐步取代传统的传感器成为汽车传感器的主流。

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