关于传感器发展趋势分析总结

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除了主观因素之外,许多购车者在选择汽车时非常看重汽车的燃油效率、排放、安全和 豪华/便捷性。这些因素推动了汽车智能传感器应用的发展。
如今的汽车系统可记录和处理众多传感输入变量,比如加速、压力、温度、引擎速度、 转速、角度、力量、距离、液位和化学成分(空气质量或油品质量)。现代化的传感器可在芯 片上集成传感元件和信号评估电子元件(温度补偿、模数转换等),然后通过无线方式发送信 息,从而改进性能。
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从太空开发到海底探秘,从生产的过程 控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展 十分重视,如***把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和 传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积孝重量轻、活络度高、稳定可靠、成本 低、易于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、增速度、液体的流量、流速、液位、压强 的测量与控制。除此以外,还广泛应用于水利工程、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。 由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又易于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、 水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、 性能最稳定、性价比无上的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员 必须了解和熟识国表里压力传感器的研究现状和发展趋势。
清华大学汽车研究所袁大宏教授告诉记者:“普通汽车传感器的技术难度并不大,目前 在车上也有较多应用,比如温度传感器、ABS 的车轮转速传感器等。”
中国传感器市场快速发展,得益于车市的快速发展。目前,一辆普通家用轿车上大约安 装几十到近百个传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达 200 个。2006 年,中国汽车市 场规模突破 720 万辆,其中乘用车突破 500 万辆。2007 年国内汽车销量将超过 800 万辆, 车用传感器的销量也会水涨船高。
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最后,对独立的多晶硅层进行密封。通过这种方式,成形的腔体可在一定压力下实现密 封。
传感器灵敏度主要取决于传感器配置的几何参数。这包括膜的直径和厚度以及腔体的高 度。在加压情况下,可移动膜将发生偏移,这会导致电容发生变化。为了加强信号,可利用 多膜并联。在此,有两个区域对压力敏感,有两个区域可作为参考之用。传感器信号的形成 就来源于压力敏感区域和参考区域之间的差异。信号的模数转换发生在信号处理过程中(集 成在芯片里)。这可确保非常好的信噪比以及高精确度。
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创新中的传感器呈现快速增长发展趋势
目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。一些传感器市场比 如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。有关专家 指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感 器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。
流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的 21% 、 19% 和 14% 。 传 感 器 市 场 的 主 要 增 长 来 自 于 无 线 传 感 器 、 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。 其中,无线传感器在 2007-2010 年复合年增长率预计会超过 25%。
传统上,车用传感器的市场是以 OEM 模式运作,并通常不需要直接面对消费者,因此, 汽车制造商与第一供货商具有决定相关传感器规格的权利,换句话说,对于传感器的供货商 而言,汽车制造商与第一供货商就是他们的客户。
汽车传感应用—通过压力传感器示例看未来趋势和要求
如今,现代化汽车都装备了多种传感器。这些组件可将物理输入变量转换成电气信号,提供 给引擎电子控制装置以及安全便捷系统,用于实现开环和闭环控制功能。
新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感 器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
传感器市场急速膨胀
据权威机构预测,从 2004 年到 2009 年,全球车用传感器将呈现 9%左右的成长率,2008 年 市场 需求 量估 计可 达 14.87 亿 个。 中国 市场 更是 车用 传感 器发 展的 温床 ,计 世资 讯 (CCWResearch)最新调查数据显示,2006 年,中国汽车传感器的源自文库场销售额为 3.9 亿美元, 同比增长率为 42.8%,2007~2010 年中国汽车传感器市场销售额的年度复合增长率将超过 35%。其中,2007 年市场销售额将达到 5.4 亿美元,同比增长率为 36.3%;2009 年其市场销 售额将接近 10.5 亿美元,同比增长 40.5%;2010 年市场销售额将超过 13.2 亿美元,同比增长 35.2%。
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大约 7 升/100 公里(从每加仑大约 24 英里提升到大约 34 英里)的原因之一。此外,从 1992 年开始,每四年欧洲都要推出新的排放控制标准,以便降低汽车污染物的排放。
这种传感器提供的数据以及来自 BAP 传感器的数据可提供对于燃油混合至关重要的信 息,从而最大限度地减少尾气排放。
随着中国车用传感器规模不断扩大,本土企业要实现大的发展,必须在精度和可靠性上 取得突破。
中国汽车工程学会汽车电子技术分会秘书长何玉军告诉记者: “汽车传感器是支持很多 汽车零部件巨头的基础。目前国内很多企业在材料、设计、工艺等方面有了一定的提高,能 够生产出很多基本的传感器,但是在精度和可靠性方面与国外企业还是有很大差距,很多先 进技术,特别是传感器的新设计原理和核心模块技术,还是由国外公司掌握。目前国内企业 自主开发相对较少,主要还是跟在国外后面,这明显说明企业在研发上投入不足。”
MAP 和 BAP 传感器市场已经成熟。2005 年,MAP 传感器的全球需求量已经达到大约 3700 万个。BAP 传感器的全球需求量大约为 1900 万个。该市场平均年增长率预计为 6%。
胎压监控系统(TPMS) 预计胎压监控系统(TPMS)的市场增长率会更高。尽管 2001 年该领域的传感器需求量大 约为 300 万台,但分析师估计这种需求量在 2010 年将会攀升到 1000 万个。接近 86%的超 高年增长率是以美国通过的相关法律为基础的。因为 2000 年夏天在美国由于爆胎导致了一 系列的致命车祸,所以美国颁布了这种法律。法律要求所有新车必须装备胎压丧失警告系统 (NHTSA Final Ruling)。在欧洲,胎压监控应用也受到越来越多的重视,并且由于其便利和 安全,正在逐步进入中等汽车领域。图 5 显示了 TPMS 压力传感器的配置。 除了胎压之外,传感器还可测量轮胎温度和传感模块的电池电压。加速传感器可监控系 统并报告车辆行驶情况。这对于将系统从节能状态重新激活非常重要。对于这种应用而言, 电池要能持续使用超过 10 年时间。由中央接收单元扮演接收器的角色,该装置除了接收 TPMS 信号之外,还可接收和处理来自遥控无钥匙门禁(RKE)的信号。 这种技术的优势是特别可靠,不受侵蚀性介质的影响。在这种情况下,介质与硅膜接触, 而不是传感器电子元件。 趋势和要求 在汽车应用中,用于高集成度压力传感器的表面和基体微机械加工技术除了可降低成本 外,还可创造紧凑型复杂系统。上述范例已经说明了压力传感器在汽车上的应用,并且成为 未来应用不可缺少的部分。车用传感器开发的未来趋势和要求如下: * 高可靠性 * 低系统成本 * 适用于苛刻操作环境 * 体积小 * 高准确度 我们认为这些要求推动了汽车传感器应用的发展,特别是上面提到的压力传感器应用。 随着技术的不断进步,我们已经开始考虑并实施了这些方面的应用,比如在 TPMS 压力传 感器产品方面。
本文将简要说明车用微型机械压力传感器的应用领域,并探讨其未来趋势和要求。 安装位置——技术 当前的技术和车用压力传感器的使用直接相关。传感器的安装位置(包括其温度、压力 和环境介质)决定了使用哪种传感元件和封装技术。比如说,图 1 简要介绍了用于引擎管理 的传感器。 对于压力传感器应用而言,我们可以假定在压力大于 10 帕时,传感器工作在液体中或 通过液体传输压力信号。在这种情况下,器件封装必须满足工作环境的严格要求。对于压力 小于 10 帕的应用(比如测量进气管气压(MAP)或大气绝对压力(BAP))而言,采用凝胶涂层封 装就可以。 英飞凌科技,针对这种应用所采用的工艺是以适用于汽车应用的 0.5mm BiCMOS 技术。 压力传感器以电容性测量原理为基础(表面微机械加工),这意味着环境介质的压力变化会导 致电容发生变化,进而导致压力输出信号发生变化。为了能够转换物理压力变量,在密封腔 上覆盖了一层压力敏感膜。为此,场氧化层就会在衬底的电容器下电极上产生。 随后,这种氧化层将被多晶硅掺杂层覆盖。多晶硅构成了电容器的对电极。该层采用这 种结构,为了可以在下一步通过使用氢氟酸进行湿化学蚀刻去除下面的场氧化层(牺牲层)。
本土传感器稳定性有待提高
北美轿车用传感器需求以每年 10%的增幅连续增长,至 2007 年年底将发展到 45 亿美 元的规模。其中,汽车侧翻传感器的使用将会增加,预计 2003~2008 年侧翻传感器模块的复 合年增长率将达到 32.3%。
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压力传感器 压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸 气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、 压阻式、差动变压器式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。
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为了确保传感器能大量应用于汽车领域,压力传感器采用了一种特殊的 SMD 封装。 塑料外壳有 8 个连接针。在传感器芯片结合并利用金线连接之后,芯片利用硅胶进行覆 盖。待测量的环境气体压力通过硅胶传送到传感器表面。此外,它可保护芯片免受环境影响。 这种封装用于自动 PCB 装置,比传统封装更具成本优势。 应用 以现有应用为例,我们将展示这种高集成度压力传感器如何应用于现代汽车领域。 用于侧面碰撞探测的压力测量 由于侧面碰撞而导致乘客受伤的交通事故数量不断攀升,侧面碰撞测试准则进行了修 订。这将导致出台更为严格的侧面碰撞探测要求。这一要求主要针对在短时间内探测碰撞程 度的传感器系统。 侧面碰撞测试原来采用的障碍物能同时接触车门和 B 柱(ECE-R95、96/27/EG、Euro NCAP、IIHS 和 FMVSS 214)。这意味着碰撞冲击力直接传递到汽车 B 柱。因此,定位在 B 柱的加速传感器可迅速探测到这种冲击力,并将数据传递给控制装置,以便触发安全系统。 然而,随着 SUV(运动型多用途车)数量的不断增多,这种车车身结构更高,当 SUV 发生侧 面碰撞时,将导致不同的事故。传统的侧面碰撞测试没有涵盖这种情况。在这种碰撞事故中, 越来越多的情况是只有车门发生碰撞,而不是整侧车身都发生碰撞,这意味着 B 柱没有发 生碰撞。因此,这就要求对侧面碰撞测试准则进行修订(FMVSS 214 NPRM)。 在这种情况下,加速传感器就难以从其安装位置——B 柱探测到车门受到的冲击力。另 外一种探测侧面碰撞冲击力的方式是使用压力传感器。因为车门遭受的侧面碰撞将导致车门 发生变形,在车门腔内的压力随之提升。这种压力提升可通过位于门内的压力传感器进行探 测。 这能大幅度降低是否作出激活安全系统决定的时间。此外,压力传感器输出信号的特点 能更轻松地区分真正的碰撞和冲击余波。 使用压力传感器探测侧面碰撞的另外一个优势是整个门作为传感元件,因为压力在整个 门的空间分布。相应地,输出信号也与独立的碰撞点无关,而是完全取决于冲击力。这就带 来了另外一个关于传感器定位和安装技术的优势:压力传感器的输出在很大程度上与这些因 素无关。 当前用于侧面碰撞保护的系统包含压力和加速传感器,从而能充分利用两种传感器的优 势。 引擎管理区的气压测量 为了更好地控制燃烧过程,汽车制造商越来越多地使用可以对物理参数进行准确测量的 传感器。这也是近年来德国能将汽车平均油耗从 20 世纪 80 年代的大约 10 升/100 公里降到
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