MEMS传感器在汽车行业的应用现状综述

叶军红

（森萨塔科技常州有限公司，江苏 常州 213000）

随着汽车电气化和智能化的发展，汽车系统越来越多地使用各种不同种类的传感器和控制系统来提高汽车的安全性、舒适性和可靠性。

汽车传感器作为信息采集源，主要应用于动力总成系统、车身控制系统以及底盘系统中，对汽车的安全性、燃油效率和排放友好性具有重要意义，对汽车的速度、排放、动力总成、悬架、气候控制、环境控制等起着至关重要的作用。汽车传感器主要包括8类不同功能的传感器：压力传感器、位置传感器、温度传感器、加速度传感器、角速度传感器、流量传感器、气体浓度传感器和轮速传感器。

1 压力传感器

压力传感器在汽车行业的应用主要用于测量进气歧管、油箱、共轨、燃油喷射、制动液、空调压缩机、底盘、自适应悬架液压、轮胎的压力，其应用的压力范围为0~3000Bar。在点火和燃油控制系统中，由于压力传感器起着重要的作用，因此其在汽车行业的应用中具有重要意义。表1为压力传感器的力敏元件的类型和特点。

表1 压力传感器的力敏元件的类型和特点

目前主要的压力传感器技术［1］类型分为电容式、电感式、电位式、电阻式和压电式，其中陶瓷电容式和电阻应变片式（金属溅射应变片，硅应变片和硅压阻式）是汽车行业最常用的压力传感器技术。

2 温度传感器

温度传感器［2-5］在汽车行业的应用主要用于测量进气歧管、燃油、冷却液、尾气的温度，在汽车应用中起着至关重要的作用，其应用的温度范围为40~1500℃，见表2。目前主要的温度传感器的技术类型分为集成温度传感器、热敏电阻、热电偶和热电阻（RTD）。

表2 温度传感器的热敏元件的类型和特点

集成温度传感器将PN结等感温元件集成在硅片上，可在-55~150℃的温度范围内具有较高的精度，较好的稳定性和可靠性，良好的线性度，具有电流、电压、数字3种形式的输出方式。相较于其他温度传感器，硅集成芯片温度传感器具有很好的成本效益。

热敏电阻的传感技术依赖于NTC或PTC特性电阻的陶瓷氧化物复合材料的制造，随温度变化而增加或减少。

热敏电阻是半导体电阻，其电阻相对于温度呈非线性变化，对温度变化高度敏感从而具有极好的精度，因此要快速获得响应，可以使用小型热敏电阻。

RTD温度传感器通常将正温度系数金属（如铂）粘接在陶瓷上，其电阻随着温度升高而增加。RTD温度传感器可以测量240~1000℃，具有良好的线性、灵敏度、响应时间、高精度和使用寿命，但RTD温度传感器与其他温度感应技术相比，其生产成本很高。

3 气体浓度传感器

气体传感器［6-9］在汽车行业有两个主要应用方向：①测量排放废气中氧气的浓度，通过在排放控制系统上安装氧传感器，从而对有毒废气的排放量进行监测和控制；②测量排放废气中碳氧化物、氮氧化物和氢气等其他废气的浓度。

氧传感器用于测量排放废气中氧气的浓度，从而保证合适的空燃比。目前主要的氧传感技术类型分为氧化锆、氧化钛和氧化锡。

汽车中常用的另一种气体传感器是空气质量传感器。它将检测其他气体的浓度，如CO和NO在空调系统的进气。空气质量传感器在暖通空调系统中起着至关重要的作用。金属氧化物（SnO2，ZrO2、TiO2）气体传感器在微结构固态硅半导体技术中的原理图如图5所示。金属氧化物半导体气体传感器的主要优点是被测气体灵敏度高、寿命长、生产成本低、对温度和湿度的依赖性小。

由于微电子机械系统（MEMS）金属氧化物气体传感器具有成本低、功耗低、稳定性好、响应速度快、重现性好等优点（表3），广泛应用于汽车工业的大批量生产。

表3 气体传感器的气敏元件的类型和特点

4 位置传感器

位置传感器［10］在汽车行业的应用主要用于测量发动机节气门角度、转向盘角度、燃油液位、加速度计和制动踏板位置、变速杆位置、变速器齿轮位置、可变气门位置、离合器位置、电机位置、座位位置和废气再循环（EGR）阀位置。

基于传感技术的位置传感器（表4）分为基于电阻或电位的位置传感器、基于霍尔效应的磁性位置传感器、电容式位置传感器、光学位置传感器、各向异性磁阻（AMR）位置传感器、巨磁阻（GMR）位置传感器和磁致伸缩线性位置传感器。

表4 位置传感器的类型和特点

电位计式位置传感器与运动目标进行物理接触来获取目标物的位置信息，这是它的主要缺点（易磨损），但在各种类型的位置传感器中是最便宜的位置传感器。

霍尔效应位置传感器利用了一个磁路的特性，其中霍尔电压是作用在传感器上的磁通密度和施加在传感器上的偏置电流之间角的函数。霍尔效应位置传感器得益于其低成本，但它们只能用于开关类型的应用，不能提供运动目标的详细位置信息。

各向异性磁阻位置传感器的工作原理是：当外部磁场相对于传感器元件旋转时，传感器的电阻发生变化。另一方面，巨磁阻位置传感器的工作原理是直接检测磁场，而不是依赖于磁场的变化率。

5 速度传感器

在汽车应用中，速度传感器［11-13］用于测量发动机曲轴、凸轮轴和车轮速度。转速传感器对发动机管理系统的性能起着至关重要的作用，因此利用转速传感器精确检测凸轮和曲柄的位置是十分必要的。速度传感器还可用于控制变速器的输入/输出，轴速可用于电子控制换挡。测量车轮速度的优点是：速度传感器的输出可以为车辆稳定性系统、防抱死制动系统和牵引力控制系统提供输入信号。

用于汽车的速度传感器应该能够承受恶劣的环境条件，如高环境温度、强振动、污垢和潮湿。在汽车应用中，巨磁阻（GMR）效应的传感器因其良好的鲁棒性、无接触以及对灰尘和湿气的不敏感性而受到青睐。表5为速度传感器的类型和特点。

表5 速度传感器的类型和特点

6 空气流量传感器

质量气流传感器［14-15］用于汽车发动机中测量进入发动机的瞬态和稳态质量气流。发动机的燃烧过程可以通过混合适当比例的燃料与进气的质量流量来控制。因此，对进入发动机的空气质量流量的精确测量有助于确定进入发动机的燃料流量，从而控制车辆的可驾驶性、性能和成本的排放。

发动机中使用的空气流量传感器有4种：翼片式空气流量传感器、卡曼涡式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式流量传感器。表6为空气流量传感器的类型和特点。目前主流的空气流量的测量主要分为发动机转速/空气密度法、直接测量空气质量流量法和真实测量空气质量流量法。

表6 空气流量传感器的类型和特点

7 惯性传感器

惯性传感器提供了确定车辆运动状态的信息，在安全和底盘控制系统这两种不同的汽车应用中起着至关重要的作用。用于安全系统的惯性传感器可以用表面蚀刻技术开发，用于底盘控制系统的惯性传感器可以用批量微加工技术开发。

汽车陀螺仪［16-17］是应用广泛的惯性传感器，涉及MEMS技术、ASIC技术、微加工与半导体技术、模拟与数字信号处理、电子集成与封装、电子网络接口等技术。陀螺仪广泛应用于汽车安全系统中，品质和可靠性是最重要的，以避免意外车辆移动而危及乘客。陀螺仪的优点是体积小、单位设备生产成本低。表7为惯性传感器的类型和特点。

表7 惯性传感器的类型和特点

8 结束语

推动传感器在汽车行业应用的主要因素是法规、安全、舒适方便和最佳的驾驶性能，因此传感器在动力系统、底盘系统和舒适方便系统中发挥着重要作用。由于用户在安全、舒适和方便方面的需求不断增长，传感器在汽车市场的前景是广阔的。本文对MEMS汽车传感器进行了广泛研究，这些传感器用于测量汽车中的温度、压力、气体浓度、速度、惯性、质量气流速率，并将在未来广泛地应用在汽车行业中。