MEMS 傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應用

電子控制技術目前已廣泛應用于汽車的發(fā)動機管理系統(tǒng)、電動轉向系統(tǒng)、輪胎管理系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)及導航系統(tǒng)等各類電子控制系統(tǒng)中，而傳感器是其工作的基礎配套零部件。介紹了汽車電子控制系統(tǒng)對傳感器的功能及性能要求，分析了汽車電子控制系統(tǒng)中各類傳感器，特別是壓阻式微機電系統(tǒng)（MEMS）壓力傳感器的應用情況。0前言傳感器是一種將各種信息轉換成特定可用信息的裝置，其種類眾多，功能各異。汽車電子控制系統(tǒng)中常用的傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器等，其性能對于汽車的安全性、可靠性及動力性等有重要影響。1汽車電子技術對傳感器的要求由于汽車的電子化程度越來越高，因此對傳感器的要求也越來越高。根據(jù)汽車電子控制系統(tǒng)的要求，傳感器應具備以下性能特點：（1）檢測精度高。傳感器本身的檢測精度直接影響被測對象的測量精度，尤其是現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)所要求的控制精度越來越高，僅憑傳感器本身無法實現(xiàn)精確控制，必須加入其他裝置才能保證控制系統(tǒng)的性能達到一定的水平，進而獲得較好的控制效果。（2）可靠性高。現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)對傳感器的工作穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，因此提高傳感器的可靠性顯得尤為重要。（3）體積小、質量輕。汽車設計中，傳感器的體積和質量是重要的因素。因此，傳感器的微型化和輕量化是汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。2汽車電子控制系統(tǒng)中傳感器的應用2.1汽車發(fā)動機中的應用汽車電子控制系統(tǒng)中所用的傳感器包括模擬型、數(shù)字型及混合型傳感器。模擬型傳感器是將發(fā)動機運行狀況輸出為與之對應的電壓或電流信號，如曲軸位置傳感器、燃油壓力傳感器（也稱“油壓傳感器”）等；數(shù)字型傳感器是將傳統(tǒng)的模擬式傳感器經過加裝或改造模擬/數(shù)字（A/D）轉換模塊，使之輸出信號為數(shù)字量（或數(shù)字編碼）的傳感器，如電子油門、怠速控制裝置等；混合型傳感器是將輸入信號與輸出信號混合，將輸出信號轉換為與輸入信號成比例相關、正交或反向的輸出信號。隨著汽車電子技術和新型材料技術的發(fā)展，汽車發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)正朝著數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。目前，數(shù)字化控制已經成為發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一，也是發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中技術含量最高、最復雜、難度最大和最難實現(xiàn)規(guī)?；瘧玫囊环N新技術。2.2汽車底盤控制中的應用汽車底盤控制系統(tǒng)包括轉向系統(tǒng)、動力總成、懸架和車身，通常還包括車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）。傳感器是汽車底盤控制系統(tǒng)的關鍵器件之一，其作用是感知汽車在行駛過程中的各種狀態(tài)，如路面坡度、車速和車身傾斜程度等，并將這些信息傳遞給電子控制單元，再由電子控制單元進行分析處理并發(fā)出相應的指令。對于汽車轉向系統(tǒng)而言，傳感器主要負責感知車輛在行駛過程中的姿態(tài)，如方向盤轉角、轉向盤轉角信號（以下簡稱“轉角信號”）、方向盤轉角速度信號（簡稱“速度信號”）等。轉角速度傳感器是測量轉角速度的傳感器之一。當車輛轉向時，傳感器能夠感知轉向軸上各軸承所承受的載荷變化情況，并將其轉化為電信號，然后將該信號傳至電子控制單元進行分析處理。以汽車行駛道路路況的差異為依據(jù)，汽車電控懸掛系統(tǒng)利用車速傳感器、車身高度傳感器、轉向盤轉角傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等對汽車行駛速度、路面情況等汽車運行狀態(tài)信息進行采集，再由電子控制單元對相關數(shù)據(jù)進行處理，從而對汽車車身高度、懸架傾斜剛度、減振器阻尼特性等進行調整。通過關閉命令，由執(zhí)行器依據(jù)實際狀況對車輛的工作狀況進行調節(jié)和優(yōu)化，以保證在平穩(wěn)行駛的同時，改善汽車的駕駛舒適度。汽車制動系統(tǒng)主要用于控制制動器打開、關閉，以及調節(jié)車輪抱死和松開的時間，而傳感器則負責感知和獲取制動踏板、制動液壓油、輪胎壓力等信息；電子控制單元則根據(jù)所獲得信息進行分析處理，并根據(jù)輸出結果對相關系統(tǒng)進行控制。2.3汽車行駛安全系統(tǒng)中的應用安全氣囊系統(tǒng)通過安裝在氣囊中的壓力傳感器、氣路開關及壓力控制器來感知汽車在行駛過程中車輪對車軸和車身的側向作用力，然后將該信號送至電子控制單元進行分析處理。驅動輪傳感器是對驅動車輪運行狀況進行檢測的傳感器，其能夠感知與車輪滾動有關的各種信息，如車輪轉速、滾動阻力、路面狀況等，電子控制單元可以通過這些信息確定驅動輪的磨損狀況及行駛里程。胎壓傳感器是安裝在輪胎中用于測量胎壓變化情況的傳感器，其可以感知胎面與地面之間的接觸壓力，并將該信號傳至電子控制單元進行分析處理，從而確定胎面磨損程度及行駛里程。防抱死制動系統(tǒng)（ABS）是保證車輛行駛安全所必須采取的一種主動安全措施，其目的是在汽車發(fā)生故障或遇到危險情況時幫助駕駛員將車輛制動住，使其不會繼續(xù)向某一方向移動，從而避免發(fā)生碰撞事故。2.4電動汽車電池控制系統(tǒng)中的應用電動汽車電池控制系統(tǒng)中使用了大量的電池傳感器，以監(jiān)測和控制電池中電流和電壓的變化。常見的電池傳感器包括溫度傳感器、化學氣體傳感器、電池電量監(jiān)測及控制傳感器、充放電電流或電壓傳感器等。其中，鋰離子電池管理系統(tǒng)是常用的電池電勢/電流測量器件。在鋰離子電池組進行充電和放電時，需要測量其充放電電流。充放電電流是指電池組在一定時間內所能容納的最大電流。鋰離子電池組中配置有大量的放電電流/電壓傳感器，用于測量充放電電流及測量放電時電池內部各元件所產生的感應電壓。當車載鋰電池在充滿電的情況下，在車輛行駛過程中，會產生較強的電流和電壓信號。在車載鋰電池處于虧電狀態(tài)時，其所發(fā)出的電流、電壓信號就會變弱。所以，汽車企業(yè)在設計電動汽車時，可以利用上述各種傳感器來采集電池信號，防止車載電池出現(xiàn)過度充放電，避免對電池的使用性能和使用壽命產生影響，從而有效地提高電池的利用率。3壓阻式微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應用3.1壓阻式MEMS傳感器內部結構及原理在機載MEMS壓力傳感器中，壓阻式MEMS壓力傳感器的使用最為廣泛。壓阻式MEMS壓力傳感器內部結構分為3層，中間層是一種常見的用來測量壓力類傳感器的硅晶應變計，應變計的上、下2層均為高強度、抗壓的玻璃體，其厚度是固定值，再在其中間打開1條拉力槽，以保證壓力槽能夠承受一定的壓力。使用壓阻式MEMS壓力傳感器時無需消耗額外的能量，在保證測量精度的前提下降低了測量過程中的能量消耗，且成本很低?；菟雇y量電橋適用于壓阻式MEMS壓力傳感器，其由4個高精度的半導體電阻和應變片組成，可實現(xiàn)對外界壓強的探測，并對輸出電信號進行變換。壓阻式MEMS壓力傳感器的惠斯通電橋在高強度的應力場中，用4個高精度的電阻-應變儀刻制在其表面應力最大處，通過精確的控制，惠斯通電橋的精度可達到0.01%～0.03%。壓阻式MEMS壓力傳感器的工作原理如下：當外界壓力對壓阻式MEMS壓力傳感器的應力凹陷產生影響時，硅晶應變計將會產生彈性變形，從而導致其自身的電阻發(fā)生變化，這就是“電阻-應變”效應。當惠斯通電橋上的4個電阻-應變片因受到壓力發(fā)生電阻變化時，惠斯通電橋兩端的電勢不平衡，惠斯通電橋將輸出與壓力成比例的電壓。3.2壓阻式MEMS壓力傳感器的應用在AJR型發(fā)動機汽車電子控制系統(tǒng)中，常規(guī)的壓力傳感器存在體積大、性能不高、功耗大和響應速度慢等缺點。在AJR型發(fā)動機汽車電子控制系統(tǒng)中使用壓阻式MEMS壓力傳感器可以很大程度上節(jié)省發(fā)動機艙空間，提升整車系統(tǒng)性能，并可在保持低功率消耗的前提下快速完成監(jiān)控。該壓阻式MEMS壓力傳感器可以用來測量AJR型發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中的各種壓力，包括進氣管氣壓、真空管氣壓、輪胎氣壓、大氣氣壓、機油壓力及燃油壓力，以及瞬時撞擊固態(tài)壓力等。通常將測量固態(tài)氣壓的車用氣壓傳感器稱為“撞擊感應器”。AJR型發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中常規(guī)壓力傳感器的主要應用領域見表1。表1汽車壓力傳感器主要應用領域以胎壓傳感器為例，在很多情況下爆胎是導致車內人員死亡的主要因素，因此目前大多數(shù)汽車都配備有胎壓傳感器。由于輪胎氣壓一般與溫度有關，因此在胎壓傳感器中整合了一種小型的有助于輪胎氣壓測量的溫度傳感器。與傳統(tǒng)的微型機電壓傳感器相比，壓阻式MEMS壓力傳感器檢測靈敏度較高。壓阻式MEMS壓力傳感器所測壓力范圍與力敏膜片的厚度有關，但外界溫度等因素也會對輸出信號的精度產生影響。為此，需要在電路中加入一種調節(jié)電路，使傳感器不受溫度的影響，以達到對測量精度進行補償?shù)哪康?。壓阻式MEMS壓力傳感器除了用于吸入岐管壓力檢測、胎壓自動監(jiān)測系統(tǒng)，也可以應用在AJR型發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中的排氣系統(tǒng)上。壓阻式MEMS壓力傳感器具有很好的適應性，能夠快速、準確、實時地檢測到任何一種輪胎的內部壓力。此外，由于壓阻式MEMS壓力傳感器的內部還裝有溫敏元件，因此還可以用其監(jiān)測輪胎內部溫度，該次要測試信號最終會被傳送至AJR型發(fā)動機電子控制系統(tǒng)。目前，世界各地的