安全、舒適、無污染、經(jīng)濟性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標。實現(xiàn)這些目標的關鍵在于汽車的電子化和智能化,先決條件則是各種信息的及時獲取,這勢必要求在汽車中大量采用各種傳感器。傳統(tǒng)的傳感器往往體積和重量大,成本高,它們在汽車的應用受到很大的限制。
近年來從半導體集成電路(IC)技術發(fā)展而來的MEMS技術日漸成熟。利用這一技術可以制作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型傳感器,這些傳感器的體積和能耗小,可實現(xiàn)許多全新的功能,便于大批量和高精度生產(chǎn),單件成本低,易構成大規(guī)模和多功能陣列,這些特點使得它們非常適合于汽車方面的應用。
80年代初,微型壓阻式多路絕對壓力(ManifoldAbsolutePressure)傳感器開始大批量生產(chǎn),取代了早期采用LVDT技術的壓力傳感器。80年代中期微型加速度傳感器開始用于汽車安全氣囊,它們是到目前為止大量生產(chǎn)的、并在汽車中得到廣泛應用的微型傳感器。然而微型傳感器的大規(guī)模應用勢必將不限于發(fā)動機燃燒控制和安全氣囊,在未來5~7年內(nèi)包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質(zhì)量控制、ABS(antilockbrakesystem,防抱死系統(tǒng))、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統(tǒng)(如氣囊和障礙物檢測與避撞等)在內(nèi)的應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。
全世界的汽車產(chǎn)量將從2000年的4750萬輛(包括客車、特種車輛和輕型卡車)增長到2005年的5400萬輛。2000年汽車用電子產(chǎn)品的市場為227億美元,預計到2005年達到309億美元,年平均增長率達到6.3%。相應的每部汽車在電子產(chǎn)品方面所花費的成本從2000年的477美元增加到2005年的572美元。
2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元(9.04億件產(chǎn)品),到2005年將達到84.5億美元(12.68億件),增長率為6.5%(按美元計)和7.0%(按產(chǎn)品件數(shù)計)。2000年北美所占汽車傳感器市場份額最大,為47%,接下來分別是歐洲(26%),日本(22%),和韓國(5%)。
速度和位置傳感器占2000年全部汽車傳感器市場(以美元計)的38%,接下來是氧傳感器(20%)、空氣質(zhì)量流量傳感器(13%)、加速度傳感器(11%)、壓力傳感器(10%)、溫度傳感器(5%)及其他(3%)。
2000~2005年度汽車傳感器的主要增長領域包括以下幾個方面:用于車輛動力學控制和安全氣囊的加速度計;用于傳動、剎車、冷卻、輪胎、燃油等方面的壓力傳感器;用于車輛動態(tài)控制、翻車報警和GPS后備的偏航速率傳感器;用于輪速以及凸輪軸、機軸、踏板位置敏感的位置傳感器;車廂環(huán)境監(jiān)控的濕度傳感器;日光、雨水和濕度傳感器;用于近距離障礙物檢測和避撞的測距傳感器。
汽車部件需要滿足多項環(huán)境、可靠性和成本等方面的要求。具體來說,它們一方面必須能經(jīng)受各種高低溫、振動、沖擊、潮濕、腐蝕性氣氛、電磁干擾等不利因素的考驗;另一方面也必須適于大批量生產(chǎn),一般要達到每年一百萬件以上,這不僅是汽車量產(chǎn)的需求,也是收回設計和制造方面的巨額投資所必需的。此外,其可靠性也應與汽車高達10年/15萬英里的使用壽命相一致。總而言之,汽車部件是“軍品的質(zhì)量,民品的價格”。
絕大多數(shù)微型傳感器采用硅材料。眾所周知,硅材料容易獲得很高的純度,有良好的機械性能且重量較輕,本身具有光電效應、壓阻效應和霍爾效應等多種傳感特性,且便于制作信號敏感與處理電路集成的傳感器。微型傳感器的主流工藝是硅基微機械加工工藝,它來源于已經(jīng)成熟的半導體工藝,可以同時加工出大量幾乎完全相同的機械結構。因此,除了具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點外,微型傳感器的可靠性較高,其供貨價格也可以遠遠低于采用傳統(tǒng)機電技術和工藝的傳感器。MEMS技術勢必將成為汽車傳感器的主流技術。最近的RogerGraceAssociates/Nexus報告估計汽車用MEMS產(chǎn)品的銷售額將從2000年的17.5億美元增加到2005年的22.7億美元,年均增長率為16.9%。
由于基于MEMS技術的微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢,它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術的傳感器。早期的多路絕對壓力傳感器已經(jīng)基本為微型化的傳感器所替代,目前這種傳感器的敏感元件和信號處理電路已經(jīng)可以集成在同一芯片上,從而大大縮小了體積并可以提高可靠性和減小干擾。
在其它壓力敏感應用,特別是惡劣環(huán)境中(如置于發(fā)動機油和散熱器冷卻劑中的),一般采用分立元件構成的陶瓷電容式壓力開關,它們現(xiàn)在將逐步被用鍵合方法制作的硅應變計(一般固定在成本低而堅固的封裝中)或壓敏電阻芯片(裝在帶不銹鋼膜片端蓋的充滿硅油的硅制外殼中)所替代。質(zhì)量流量傳感器通常是用分立的熱線構成的,而目前Bosch公司利用表面微機械方法制作的微型化的傳感器已經(jīng)顯示出其顯著的優(yōu)勢。用于安全氣囊的撞擊傳感器已從簡單的“球—管”(BallTube)式傳感器演化為微型化和集成的加速度傳感器,目前的主要廠商有ADI,Motorola,SensoNor,和Nippondenso等。此外用量很大的輪速傳感器(用于ABS及車輛動力學控制)也將由傳統(tǒng)的變磁阻式向霍爾式、各向異性磁阻比(AMR)和巨磁阻比(GMR)式發(fā)展。以上分析和實例說明微型化是現(xiàn)有汽車用傳感器發(fā)展的主要方向。