近幾年來我國汽車工業(yè)增長迅速,發(fā)展勢頭很猛，現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進(jìn)入了一個有本質(zhì)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。

　　《汽車縱橫》雜志投稿，創(chuàng)刊于2011年，是由中國汽車工業(yè)協(xié)會唯一出品，公開發(fā)行的高端、專業(yè)、權(quán)威的汽車行業(yè)雜志。雜志是一本反映汽車行業(yè)主流輿論的雜志。其秉承“業(yè)界主辦、熱點(diǎn)聚焦、深度報(bào)道”的辦刊宗旨，資訊權(quán)威，觀點(diǎn)前沿，內(nèi)容豐富，特色明顯。雜志全面觀察中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的重大事件，深入解讀政府高層的行業(yè)管理及決策重要動向，及時跟蹤汽車產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展中的重要時事。雜志還以國際化的視野，從全局的高度把握中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展走向，為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)。作為汽車界的高端產(chǎn)業(yè)雜志。

　　1 汽車電子操控和安全系統(tǒng)談起

　　因此評論界出現(xiàn)了一些專家的預(yù)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(jì)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其實(shí),汽車工業(yè)的增長必將包含與汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)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(shù)的價(jià)值含量只占10%—15%左右,但國外汽車中電子產(chǎn)品和技術(shù)的價(jià)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(yù)期很快將達(dá)到50%。

　　電子信息技術(shù)已經(jīng)成為新一代汽車發(fā)展方向的主導(dǎo)因素,汽車(機(jī)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(jìn)和提高,都將依賴于機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和電子產(chǎn)品、信息技術(shù)間的完美結(jié)合。汽車工程界專家指出:電子技術(shù)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(guān)注的原因之一。但是,必須指出的是,除了一些車內(nèi)音響、視頻裝備,車用通信、導(dǎo)航系統(tǒng),以及車載辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等車內(nèi)電子設(shè)備的本質(zhì)改變較少外,現(xiàn)代汽車電子從所應(yīng)用的電子元器件(包括傳感器、執(zhí)行器、微電路等)到車內(nèi)電子系統(tǒng)的架構(gòu)均已進(jìn)入了一個有本質(zhì)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(shí)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(gòu)筑的各自獨(dú)立的、專用的、半自動和自動的操控系統(tǒng),現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)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(yùn)行中的各種電子裝備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)綜合、智能調(diào)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(dú)立操控,同時又能協(xié)調(diào)到整體運(yùn)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(yīng)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(shè)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(nèi)外的一些汽車進(jìn)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(nèi)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(zhuǎn)速,進(jìn)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(diào)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(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)部件都已受電子裝置控制,但汽車車體內(nèi)的空間有限,構(gòu)件系統(tǒng)的空間更是極其有限。理想的情況當(dāng)然是,電子控制單元應(yīng)與受控制部件緊密結(jié)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(guān)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(nèi)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(hù)能力,不斷確認(rèn)氣囊系統(tǒng)的可正常運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動和高強(qiáng)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(yīng)、自補(bǔ)償調(diào)整的能力。

　　1.5 與上述要求同樣重要,甚至有時是關(guān)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(xiàng)需要,而且因?yàn)榭梢栽诩�成電路�?biāo)準(zhǔn)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(yīng)用市場,反過來也有力地促進(jìn)了汽車工業(yè)的電子信息化。

　　2 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(shù)。在我國的報(bào)刊雜志上目前所使用的技術(shù)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(dǎo)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?xì)w入了MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))名稱下的。這里介紹當(dāng)前一些歐美專著中常用的技術(shù)名詞的定義和技術(shù)內(nèi)涵。

　　首先必須說明的是,在絕大多數(shù)情況下,本文大小標(biāo)題及全文中所說的傳感器其實(shí)是泛指了三大類器件:將非電學(xué)輸入?yún)⒘哭D(zhuǎn)換成電磁學(xué)信號輸出的傳感器;將電學(xué)信號轉(zhuǎn)換成非電學(xué)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(xué)參量形式轉(zhuǎn)變成另一種電磁學(xué)參量形態(tài)輸出的變送器。就是說,關(guān)于微傳感器、智能傳感器的技術(shù)特性可以擴(kuò)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(dǎo)體工藝技術(shù)的新一代器件:應(yīng)用新的工作機(jī)制和物化效應(yīng),采用與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料,用微細(xì)加工技術(shù)制備的。因此有時也稱為硅傳感器。可以用類似的定義和技術(shù)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(jì)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(dāng)實(shí)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(jì)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(yīng)該指出的是,采用這種兩片的解決方案可以縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)前期小批量試產(chǎn)的成本。但對實(shí)際應(yīng)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(yīng)用價(jià)值更高。