摘 要：為滿(mǎn)足汽車(chē)業(yè)的高速發(fā)展，MEMS傳感器技術(shù)被廣泛運(yùn)用在汽車(chē)各個(gè)部件上。本文介紹MEMS傳感器技術(shù)在汽車(chē)上的三大應(yīng)用，主要講述MEMS壓力傳感器的應(yīng)用，并闡述了對(duì)未來(lái)MEMS傳感技術(shù)的展望。

關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；壓力傳感器；汽車(chē)傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）06-0057-02

Abstract：In order to meet the rapid development of the automotive industry，MEMS sensor technology is widely used in various parts of automobiles. This paper introduces the three applications of MEMS sensor technology in automobile. It mainly describes the application of MEMS pressure sensor and the prospect of MEMS sensor technology in the future.

Keywords：MEMS sensor；pressure sensor；vehicle sensor

1 MEMS傳感器技術(shù)的概念及發(fā)展現(xiàn)狀

MEMS傳感器及微機(jī)電系統(tǒng)，也叫作微電子機(jī)械系統(tǒng)，指的是僅有幾毫米大小的裝置。它是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都以微米甚至納米為計(jì)量單位。MEMS的前身是微電子技術(shù)，是融合各種精密的機(jī)械加工制作而成的電子器件。MEMS系統(tǒng)具有微型化、能夠批量生產(chǎn)、集成化程度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，這使其成為世界矚目的科技之一，其應(yīng)用涉及機(jī)械、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、電子等眾多領(lǐng)域，服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用背景。MEMS傳感技術(shù)的誕生，在微米量級(jí)的條件下應(yīng)用于傳統(tǒng)傳感器所不能及的地方。

2 MEMS傳感器在汽車(chē)上的應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)車(chē)的要求也越來(lái)越高，人們對(duì)汽車(chē)安全性能、舒適程度、智能化以及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等方面要求都越來(lái)越高，這就給MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展帶來(lái)巨大空間。MEMS傳感器可分為生物傳感器、物理傳感器和化學(xué)傳感器三個(gè)種類(lèi)，對(duì)于如今的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，物理傳感器運(yùn)用最為廣泛，一些高端車(chē)型才能擁有一些生物傳感器或者是化學(xué)傳感器。MEMS傳感技術(shù)在汽車(chē)上主要有：加速度傳感器、壓力傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器等應(yīng)用方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，MEMS傳感技術(shù)的指標(biāo)性能也不斷加強(qiáng)提升，應(yīng)用在車(chē)體的范圍也會(huì)越來(lái)越廣。例如MEMS壓力傳感器主要應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力測(cè)量、燃油壓力測(cè)量、進(jìn)氣管壓力測(cè)量以及氣囊和輪胎的壓力測(cè)量。如今汽車(chē)上的MEMS傳感器技術(shù)越來(lái)越成熟，給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)許多便利，更為用戶(hù)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)、安全、舒適、智能化的體驗(yàn)。

2.1 MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器在汽車(chē)上的應(yīng)用主要有壓阻式、電容式、聲表面波式等，最常用的就是硅擴(kuò)散型壓阻式。它是以單晶硅為材料制作的，構(gòu)成原理是在整個(gè)材料中間制作一個(gè)力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四個(gè)電阻，再用惠斯頓電橋的方式將這四個(gè)電阻連成一個(gè)電路，通過(guò)將力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。這種MEMS壓力傳感器的電壓在0～5v之間，根據(jù)力敏膜的厚度來(lái)決定測(cè)量的大小范圍。

目前汽車(chē)上的壓力傳感器有很多：歧管壓力測(cè)量，用來(lái)控制空燃比，控制廢棄循環(huán)等；大氣壓測(cè)量，用來(lái)修正空燃比；氣缸內(nèi)氣測(cè)量，用來(lái)控制爆震；燃油噴射壓力測(cè)量；充氣壓力測(cè)量，安全氣囊系統(tǒng)；輪胎氣壓，輪胎氣壓的監(jiān)控等。

汽車(chē)的輪胎就好比人的雙手雙腳，面對(duì)公路異常情況，天氣濕度溫度變化以及突發(fā)狀況等，都需要對(duì)輪胎進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量監(jiān)控。對(duì)于胎壓不穩(wěn)的狀況需要及時(shí)補(bǔ)換輪胎，否則可能會(huì)造成巨大的損失。TPMS輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)是一種新型的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，它分為兩種方式監(jiān)控輪胎。第一是直接監(jiān)控，是指將壓力傳感器TPMS直接安裝在輪胎上測(cè)量輪胎內(nèi)的壓力，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的方式傳輸胎壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)；第二種是間接測(cè)量，這種測(cè)量方式是通過(guò)汽車(chē)的ABS的輪胎轉(zhuǎn)速來(lái)比較測(cè)量，輪胎內(nèi)部的壓力或大或小，就會(huì)導(dǎo)致輪胎的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差別，并以此來(lái)發(fā)出警報(bào)。在汽車(chē)上裝TPMS壓力傳感器越來(lái)越普及，在將來(lái)這種技術(shù)將會(huì)成為每輛車(chē)的標(biāo)配。

汽車(chē)的機(jī)油壓力傳感器是對(duì)汽車(chē)的機(jī)油壓力進(jìn)行測(cè)量的裝置，將壓力傳感器裝載在發(fā)動(dòng)機(jī)的主油道上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)開(kāi)始，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送，經(jīng)過(guò)電壓電流放大之后，與之前設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行比較，隨后測(cè)出是低于標(biāo)準(zhǔn)還是高于標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。這種MEMS壓阻傳感器對(duì)傳統(tǒng)的彈性應(yīng)變傳感器等測(cè)量機(jī)油壓力的好處在于靈敏度高、測(cè)量的范圍廣、輸出的信號(hào)強(qiáng)。

2.2 MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是用一個(gè)平行的梁，一端固定，另一端懸掛一個(gè)質(zhì)量約為10μg的小球，利用牛頓經(jīng)典力學(xué)的原理，當(dāng)有一個(gè)垂直的加速度時(shí)，小球運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，對(duì)加速度敏感并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電容-電壓的轉(zhuǎn)變，放大輸出測(cè)得加速度。MEMS加速度傳感器在汽車(chē)許多地方得到了應(yīng)用，例如汽車(chē)的防盜系統(tǒng)，當(dāng)車(chē)輛停放好后，受到外界的拖動(dòng)力，導(dǎo)致加速度發(fā)生變化，從而能觸發(fā)汽車(chē)的報(bào)警裝置。還有對(duì)于安全氣囊的彈出方向的測(cè)量，在內(nèi)部裝上不同方位的MEMS加速度小球，不同方向的加速度變化可以讓安全氣囊識(shí)別撞擊是從哪個(gè)方向來(lái)的，從而根據(jù)方向彈出，具有非常強(qiáng)烈的應(yīng)變能力。國(guó)內(nèi)在微加速度傳感器上也做了大量的工作，如清華大學(xué)微電子開(kāi)發(fā)的諧振式微加速度傳感器，采用電阻熱激勵(lì)，壓阻電橋檢測(cè)的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)。

2.3 MEMS陀螺傳感器

微機(jī)械陀螺儀的工作原理是角動(dòng)量守恒的原理，當(dāng)物體不停地徑向變化移動(dòng)，來(lái)回震蕩等，相對(duì)應(yīng)的科里奧利力就不停地橫向變化。通常MEMS陀螺儀有兩個(gè)電容板，處于兩個(gè)方向并且可以移動(dòng)，當(dāng)感受到力的時(shí)候，電容就會(huì)發(fā)生變化，從而可以測(cè)得角速度。雖然陀螺傳感器的研究起步較晚，但是增長(zhǎng)勢(shì)頭不亞于其他幾種傳感器。MEMS陀螺傳感器被廣泛地運(yùn)用在汽車(chē)行業(yè)，例如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，以及安全制動(dòng)燈技術(shù)，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)，方向盤(pán)所轉(zhuǎn)動(dòng)的方向力過(guò)大，會(huì)被陀螺傳感器所識(shí)別，就會(huì)自動(dòng)制動(dòng)汽車(chē)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而減少危險(xiǎn)發(fā)生的幾率，當(dāng)然這樣的技術(shù)目前只運(yùn)用于高檔車(chē)輛，在未來(lái)的智能化汽車(chē)中會(huì)得到更加廣泛的運(yùn)用。

2.4 MEMS氣體濃度傳感器

氣體濃度傳感器也是汽車(chē)眾多傳感器中最重要和最典型的一種。MEMS氣體濃度傳感器主要用于檢測(cè)汽車(chē)內(nèi)的氣體和排放的氣體。最重要的是氧傳感器，測(cè)試排放廢氣中的氧氣含量，然后反饋信號(hào)計(jì)算空燃比。一般情況下汽車(chē)使用的氧傳感器有鍺傳感器、固體電解質(zhì)式氧化鉻氣體傳感器、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器、二氧化鋯氧傳感器以及二氧化鈦氧傳感器等，這些都是基于敏感材料吸附原理所選取的。對(duì)于上述的幾種傳感器來(lái)說(shuō)，氧化鍺傳感器使用溫度為-40～900℃，范圍較大，但是相比之下二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材質(zhì)輕巧、價(jià)格低廉，還有抗鉛污染能力強(qiáng)的特點(diǎn)。它的工作原理是當(dāng)空燃比變高時(shí)，排放廢氣的氧濃度增加，這樣氧傳感器輸出的電壓減少，相反則增大。然后中心控制能夠采取識(shí)別變化，對(duì)噴油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而變相將空燃比調(diào)節(jié)在合適的范圍指數(shù)內(nèi)。

3 對(duì)汽車(chē)MEMS傳感器應(yīng)用的展望

MEMS傳感器技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，運(yùn)用的范圍也不斷增加，技術(shù)越來(lái)越成熟，科技越來(lái)越創(chuàng)新，功能也越來(lái)越強(qiáng)大。MEMS技術(shù)正在向高技術(shù)、高精度、高集成、高性能、智能化、微型化等方面趨近。但是對(duì)于未來(lái)更加新型化的技術(shù)以及中國(guó)改革創(chuàng)新的歷史使命來(lái)說(shuō)，仍需要有一些更高的要求。

3.1 普及化，經(jīng)濟(jì)化

大多MEMS傳感器技術(shù)僅僅用于高端汽車(chē)行業(yè)，并未真正普及，原因還是成本過(guò)高，如何降低成本，讓更多的大眾化汽車(chē)使用高端的傳感器，并且能賣(mài)出平民化的價(jià)格，這是一個(gè)值得研究的方向，因此傳感器技術(shù)的設(shè)計(jì)仍需不斷創(chuàng)新發(fā)展。

3.2 智能化

現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)趨向的是人工智能化，減少人工繁瑣操作，趨向于簡(jiǎn)單輕便，汽車(chē)行業(yè)也是如此，這就需要傳感技術(shù)趨向智能化方向，使分析、傳送、處理、糾正一體化，為人們提供智能化服務(wù)。

3.3 集成化

對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，裝備較多傳感器是非常繁瑣的事情，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就需要花費(fèi)大量的人力物力去尋找問(wèn)題以及處理問(wèn)題。甚至一些高端車(chē)型為保證車(chē)輛的高效智能，裝了近百個(gè)傳感器，一旦更新?lián)Q代或者需要維修就要花費(fèi)大量人力財(cái)力。將更多的傳感器集于一體是未來(lái)的車(chē)載傳感器必然的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)然，蒸蒸日上的科技水平值得我們倍感欣慰，科技運(yùn)用于生活，人們的生活質(zhì)量也變得更加美好，與此同時(shí)，腳踏實(shí)地穩(wěn)步發(fā)展是我們不可忘記的根本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂良，鄧中亮，劉玉德，等.基于MEMS技術(shù)的汽車(chē)傳感器研究進(jìn)展 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007（4）：77-84.

[2] 劉成剛，MEMS傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用及發(fā)展 [J].濟(jì)南職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：81-82+91.

[3] 李文平，頓文濤，李寅生，等.MEMS傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用研究及進(jìn)展 [J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2015（7）：52-55.

作者簡(jiǎn)介：秦旭（1996.11-），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，本科。研究方向：電子信息工程。