车用MEMS传感器原理与发展

高　新　技　术

２００８　　ＮＯ．０３

科技资讯

车用ＭＥＭＳ传感器原理与发展

邵毅明　　张帆

（重庆交通大学交通运输学院　　重庆　　４０００７４）

摘　要：汽车的ｅｃｕ就相当于人的大脑，汽车里面的通讯就是人的神经，而传感器就相当于人的五官，它需要对压力，加速度，角速度，排出气体浓度等外界各种动态进行及时的检测。而最新ＭＥＭＳ（微机电系统）传感器无疑是传感器发展的新的趋势。本文简述了倾角传感器的原理和发展状况并对几种汽车用ＭＥＭＳ传感器做了介绍和比较，并给出了相应产品的性能参数。关键词：ＭＥＭＳ　　传感器　　原理

中图分类号：Ｕ４６３　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　文章编号：１６７２－３７９１（２００８）０１（ｃ）－０００５－０２

１　引言

自２０世纪８０年代以来，汽车上应用的传感器越来越多。各种各样的传感器已经深刻地融入到汽车的各个功能系统，包括发动机管理系统（ＥＭＳ）、底盘与传动系统、安全系统、车身电子系统、空调环境系统等。

２００６年中国汽车传感器的应用市场结构中，按传感器在各种汽车电子产品中的销售额计算，发动机电子控制系统和电子仪表依次占据市场排名的前两位，二者所占市场份额总和接近６０％，随着汽车半导体技术的发展，多功能、高精度、高灵敏度的传感器是汽车电子中较重要的一环。未来汽车用传感器技术的发展，不仅仅是传感器自身的开发，而且更注重于对传感器的互换性、耐久性、可靠性的开发。由于基于ＭＥＭＳ技术的微型传感器，在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。本文从对ＭＥＭＳ的介绍入手，介绍了一种新型的抗干扰能力比较强的倾角传感器。

３　ＭＥＭＳ（微机电系统）传感器简介

近年来，从半导体集成电路（ＩＣ）技术发展而来的微机电系统（ＭＥＭＳ）技术日渐成熟。利用这一技术可以制作各种性能敏感的力学量、磁学量、热学量、化学量和微生物的微型传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。在高档汽车中，已经采用上百只ＭＥＭＳ传感器，技术上逐渐满足汽车环境苛刻、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。

下面举例介绍几种常见的ＭＥＭＳ传感器。３．１　ＭＥＭＳ压力传感器

汽车电子控制系统一直被认为是ＭＥＭＳ压力传感器的主要应用领域之一，可用于测量进气管压、大气压、油压、轮胎气压。最流行的汽车ＭＥＭＳ压力传感器采用压阻式力敏原理，这是现有几种压力传感器中用量最大的一种，开发出几代产品，年产量为数千万只。这种传感器用单晶硅作材料，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。目前，可以提供汽车ＭＥＭＳ压力传感器的有美国凯乐尔、特种测量、ＳＳＩ、菲尔科、德州仪器、德国Ｂｏｓｃｈ、日本电装等公司，年产量在１００万只以上。

３．２　微机械加速度计

微机械加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律。微机械加速度计通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，如图１所示。微机械加速度计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１０～ｔｇ），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。３．３　微机械陀螺

微机械陀螺是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的ＧＰＳ信号补偿和汽车底盘控制系统，应用潜力极大。微机械陀螺主要有振动式、转子式等几种，目前应用最多的微机械陀螺属于振动陀螺，其工作原理如图２所示。

质量块Ｐ固连在旋转坐标系ｘｏｙ平面，假定其沿ｘ轴方向以相对旋转坐标系速度ｖ运动，旋转坐标系绕ｚ轴以角速度ｗ旋转。因哥氏效应产生哥氏力：Ｆｃｏｒ＝－２ｍ（ｗ＊ｖ），则质量块Ｐ在旋转坐标系的正Ｙ轴方向产生哥氏力Ｆｃｏｒ＝２ｍｗｖ，其中，ｍ为质量块Ｐ的质量。可以看出哥氏力直接与作用在质量块Ｐ上的输入角速度缈成正比，并会引起质量块Ｐ在Ｙ轴方向的位移，获得该信息也即获得了输入角速度缈的信息。

３．４　气体浓度传感器

气体浓度传感器是典型的化学汽车传

２　　汽车传感器的分类以及发展动态

汽车传感器包括压力、液位、流量、位置、高度、距离、速度、转速、转矩、加速度、温度、图像、智能等多种传感器。

未来几年汽车传感器的主要增长领域，包括以下几个方面：用于提高汽车安全性和舒适性的生物体测量方面的传感器；用于车辆动力学控制和安全气囊的加速度计；用于传动、刹车、冷却、燃油等方面的压力传感器；用于车辆动态控制、翻车报警和ＧＰＳ后备的偏航速率传感器；用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器；车厢环境监控的湿度传感器；用于近距离障碍物检测和避撞的测距传感器；用于胎压监测系统的ＭＥＭＳ微型压力传感器，如飞思卡尔、英飞凌等公司都在向市场力推各自的轮胎压力传感器产品。总之，具有高灵敏度、耐冲击性、适应各种环境、高可靠性、高安全性等各种功能特点的传感器，将会是全球传感器市场产品需求的热点。

　图１　加速度计原理图图２陀螺仪传感器原理图

　科技资讯　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ５

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感器相比他具有很多特点，例如，他可以确定传感器工作状态，对测得的资料进行修正，以便减少环境因素如温度引起的误差；用软件解决硬件难解决的问题；完成资料计算与处理工作等等。世界各国都在车用传感器硬件的基础上，努力用软件来解决汽车电气干扰大、环境差（温度高、温度梯度大、污染厉害等）等问题造成的对汽车参数测量的影响。而且智能式传感器精度高、量程覆盖范围大、输出信号大、信噪比高、抗干扰性能好，有的还带有自检功能。不少汽车大公司在该方面进行研制与开发，并取得了成就并加以应用。其技术的发展方向是开展基础研究，发现新现象，采用新原理，开发新材料，采用新工艺；扩大传感器的功能与应用范围。开发新材料是发展汽车传感器技术的一个重要方向。由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制其成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料，例如控制半导体氧化物的成分，可

以制造出各种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现；有机材料作为功能材料，正引起国内外汽车电子化专家的极大关注。

感器，主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以使空燃比收敛于理论值。常用的有氧化锗传感器（使用温度为－４０～９００℃，精度为１％）氧化铬浓差电池型气体传感器（使用温度为（３００～８００）℃）、固体电解质式氧化铬气体传感器等。

参考文献

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ｍｍａ７２６０数据手册

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［３］刘迎春．传感器设计原理及其应用（第二

版）［Ｍ］．湖南：湖南国防科技大学出版社，１９９３

［４］汽车传感器即将迎来“黄金期”［Ｊ］．中国

科技信息，２００６（１），７２～７３．

４　　汽车传感器的发展趋势

随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速增长。微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上的特征参数或者化学参数，从而减少汽车传感器的数量，提高系统的可靠性。智能传感器是一种带微型计算机兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器。与传统传

（上接第４页）

石，国防科技大学的徐永成、温熙森，西北工业大学的王冲、孙进才、李海英，海军工程学院的朱海潮、施引等学者也都在自适应有源消声及其工程应用方面作了大量工作。

随着电子技术、控制技术和材料工业的发展，有源消声技术在车内噪声控制方面得到了广泛应用，但是仍然存在不少难点亟待解决：如对车内声场分布、空间有源降噪的机理等缺乏深入研究；次级声源和误差传感器的最佳数量及最优布放位置如何确定；ＡＮＣ系统的稳定性如何保持等等。国产汽车相比于国外汽车，车内噪声明显过高，开展车内噪声主动控制技术的研究有助于改善国产汽车的乘坐舒适性，提高我国汽车的市场竞争力，但目前国内尚没有成熟的车内有源噪声控制系统。

［２］陈克安．有源噪声控制［Ｍ］．北京：国防工

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ｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｃａｂｉｎ　ｎｏｉｓｅ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｎｄ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｐｅａｋｅｒｓ”．ｍａｓｔｅｒ　ｔｈｅｓｉｓ，Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９９．［６］Ａ　Ｇｏｎｚａｌｅｚ，Ｍ　Ｆｅｒｒｅｒ　ｅｔ　ａｌ．　“Ｓｏｕｎｄ

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实验，证明了车内有源噪声控制的可行性。

东南大学胡啸等对机车车辆室内复合噪声主动控制系统进行了研究设计，提出了利用复合主动控制思想来改善车辆室内噪声环境的方案及其算法实现，证明了利用反馈噪声主动控制系统抵消低频噪声对车内的总噪声辐射并利用前馈噪声主动控制系统抵消发动机噪声的基频分量及多次谐波分量的这种复合方案具有较好的降噪效果和较高的实用价值。

同济大学靳晓雄等人使用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件分析了某国产轿车的空腔声学模态，在结合了声学实验分析和该车车顶棚、前风挡有限元模态分析的基础上，进行了针对降低车内噪声的结构改进设计，使车内噪声整体水平有所下降。

吉林大学汽车工程学院ＮＶＨ（ＮｏｉｓｅＶｉｂｒａｔｉｏｎ　＆　Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ，即汽车的噪声、振动与平稳性）课题组在王登峰教授的带领下，近年来一直致力于车内噪声自适应控制方面的研究。提出了车内噪声主动控制的神经网络方法，即用Ｅｌｍａｎ神经网络对车内驾驶员耳旁的噪声进行识别和预测；提出了以发动机机体和车身各悬置点的振动加速度信号作为次级声源的参考信号，成功解决了次级声源信号对初级声场采样传声器产生声反馈的难题，提高了控制系统的稳定性，有效降低了车内噪声，推进了车内噪声有源消声技术的实用化。

此外，上海交通大学的刘恩泽、陈端

４　未来展望

未来，车内有源消声技术将在多通道、非线性、鲁棒等多个方面展开，对宽带噪声控制的多通道自适应ＡＮＣ系统以及基于人工神经网络的有源消声系统会成为研究的重点和热点；另外，对车内减振降噪的智能材料和结构的研究也将是今后研究的热门课题。

参考文献

［１］［澳］Ｃ．Ｈ．汉森，Ｓ．Ｄ．斯奈德著，仪垂杰

等译．噪声和振动的主动控制［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．３．

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