El automóvil moderno se está desarrollando de un simple medio de transporte a una dirección que puede satisfacer las necesidades humanas y ser seguro, cómodo, conveniente y libre de contaminación. La clave para lograr estos objetivos radica en la electrónica e inteligencia del automóvil, y el requisito previo es la adquisición oportuna de diversas informaciones, lo que inevitablemente requiere el uso masivo de varios sensores en el automóvil. Los sensores tradicionales a menudo son grandes en volumen y peso y de alto costo, y su aplicación en los automóviles está muy limitada.

En los últimos años, la tecnología de sistemas microelectrónicos (mesm) desarrollada a partir de la tecnología de circuitos integrados semiconductores (ic) ha madurado. El sensor en miniatura es actualmente un dispositivo electromecánico en miniatura exitoso y práctico, que incluye principalmente un sensor de presión en miniatura y un sensor de aceleración en miniatura que utiliza la deformación mecánica del diafragma en miniatura para producir la salida de señales de telecomunicaciones; Además, hay sensores de temperatura en miniatura, sensores de campo magnético, sensores de gas, etc. la mayoría de estos sensores en miniatura tienen una superficie inferior a 1 mm2. Con el desarrollo de la tecnología de procesamiento microelectrónico, especialmente la tecnología de nanoprocesamiento, la tecnología de sensores también evolucionará de microsensores a nanosensores. Estos microsensores son pequeños y permiten muchas funciones completamente nuevas, facilitan la producción en masa y de alta precisión, tienen un bajo costo de una sola pieza y son fáciles de formar una matriz a gran escala y multifuncional. estas características los hacen muy adecuados para aplicaciones automotrices.

　　1. clasificación de sensores automotrices

Los sensores para automóviles son un término general para varios sensores utilizados en sistemas de visualización y control eléctrico de automóviles. Implica muchos sensores de cantidad física y química. Estos sensores permiten al conductor comprender el Estado de todas las partes del automóvil; O se utiliza para controlar el Estado de todas las partes del automóvil. Según su función en el automóvil, se puede dividir en controlar el motor, controlar el chasis y proporcionar al conductor una variedad de sensores para proporcionar información. los materiales que componen estos sensores son cerámica fina, materiales semiconductores, fibra óptica y película polimérica; Hay sensores analógicos y digitales de acuerdo con las características de salida; Según el principio de composición, hay tipo estructural, tipo resistente y tipo compuesto. Por conveniencia, ahora se clasifica según el objeto de control del sensor del automóvil, como se muestra en la tabla 1.

　　2. aplicación de sensores en miniatura en automóviles

Hay muchos tipos de sensores utilizados en los automóviles y una amplia gama de aplicaciones. A continuación se describen las aplicaciones de los sensores en el control del motor del automóvil, los sistemas de seguridad, el monitoreo del vehículo y el autodiagnóstico.

2.1 sensores para el control de motores automotrices

El control electrónico del motor siempre ha sido considerado como una de las principales áreas de aplicación de la tecnología microelectrónica en los automóviles. Los sensores utilizados en el sistema de control del motor son el núcleo de todo el sensor del automóvil y hay muchos tipos, incluidos los sensores de temperatura, los sensores de presión, los sensores de posición y velocidad, los sensores de flujo, los sensores de concentración de gas y los sensores de deflagración: estos sensores proporcionan información sobre el Estado de funcionamiento del motor a la unidad de control electrónico del motor para que la unidad de control electrónico controle el Estado de funcionamiento del motor para mejorar la Potencia del motor, reducir el consumo de combustible, reducir las emisiones de escape y detectar fallas.

(1) sensor de desplazamiento de temperatura

Los sensores de temperatura para automóviles se utilizan principalmente para detectar la temperatura del motor, la temperatura del gas inhalado, la temperatura del agua de enfriamiento, la temperatura del combustible y la temperatura catalítica. Los sensores de temperatura tienen tres tipos principales: resistencia térmica, resistencia de devanado y resistencia térmica. Estos tres tipos de sensores tienen sus propias características, y sus aplicaciones también son ligeramente desviadas. El sensor de temperatura de resistencia térmica tiene una alta sensibilidad y buenas características de respuesta, pero una diferencia lineal y una temperatura de adaptación más baja. Entre ellos, el rango de medición de temperatura del tipo general es de - 50 a 30 grados celsius, la precisión es del 1,5% y el tiempo de respuesta es de 10 ms; el tipo de alta temperatura es de 600 a 1000 cc, la precisión es del 5% y el tiempo de respuesta es de 10 ms; el sensor de temperatura de Resistencia de devanado de alambre tiene una alta precisión, pero las características de respuesta son malas; El sensor de temperatura de resistencia térmica tiene una alta precisión y un amplio rango de temperatura de medición, pero debe usarse con un amplificador y un tratamiento de extremo frío. Otros productos prácticos son sensores de temperatura de tipo ferrooxígeno (rango de medición de temperatura de - 40 a 120 grados celsius, precisión del 2,0%), sensores de temperatura de aire de película metálica o semiconductora (rango de medición de temperatura de - 40 a 150 grados celsius, precisión del 2,0%, 5%, tiempo de respuesta de unos 20 ms), etc.

(2) sensores de presión

El sensor de presión es un sensor mucho más utilizado en los automóviles, que se utiliza principalmente para detectar la presión de almacenamiento de gas del airbag, la presión del líquido del sistema de transmisión, la presión del combustible de inyección, la presión del aceite del motor, la presión del tubo de admisión, la presión del líquido del sistema de filtración de aire, etc. En la actualidad. Las principales empresas dedicadas al desarrollo y producción de sensores de presión para automóviles son motorola, Deco Electronic instruments, LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo， Siemens, Texas instruments, etc.

Los sensores de presión de automóviles más utilizados son capacitivos, piezoresivos, transformadores diferenciales y ondas acústicas de superficie. El sensor de presión capacitivo se utiliza principalmente para detectar presión negativa, presión hidráulica y presión atmosférica, con un rango de medición de 20 a 100 kpa, que se caracteriza por una alta energía de entrada, buenas características de respuesta dinámica y buena adaptabilidad ambiental; El rendimiento del sensor de presión piezoresivo se ve muy afectado por la temperatura, por lo que es necesario establecer otro circuito de compensación de temperatura, pero se adapta a la producción en masa; El sensor de presión del transformador diferencial tiene una gran salida, que es fácil de exportar digitalmente, pero la resistencia a la interferencia es pobre; El sensor de presión de ondas acústicas de superficie tiene las características de pequeño tamaño, masa ligera, bajo consumo de energía, alta fiabilidad, alta sensibilidad, alta resolución y salida digital, y se utiliza para la detección de presión de la válvula de aspiración del automóvil, que puede funcionar de manera estable a altas temperaturas.

El sensor de presión de neumáticos inteligente kps00, desarrollado por la empresa alemana infineon, integra un módulo de detección de presión y temperatura en su interior, que no necesita agregar un sensor de aceleración al módulo de sensores, se puede encender automáticamente para entrar en la autoinspección cuando el automóvil comienza, y puede medir la presión, la temperatura y el voltaje. Todas las funciones se integran en semiconductores de óxido metálico complementario bipolar (bicmos) de 0,8 micras utilizando tecnología de micromecánica de superficie. El Código de identificación del chip de 32 dígitos almacenado en la memoria de solo lectura programable BORRABLE eléctrica en cada módulo de sensores. El Código de identificación del chip se puede leer por una interfaz serie síncrona y, además, se puede utilizar para identificar la posición de cada sensor de presión del neumático. Al recibir los datos, primero hay que revisar el Código de identificación del CHIP y abandonar el cuadro de datos recibido si se descubre que el Código de identificación del chip no coincide.

(3) sensores de flujo

El sensor de flujo se utiliza principalmente para medir el flujo de aire y el flujo de combustible del motor. El volumen de aire de admisión es uno de los parámetros básicos del cálculo de la inyección de combustible. Función del sensor de flujo de aire: percibir el tamaño del flujo de aire y convertirlo en una señal eléctrica transmitida a la unidad de control electrónico del motor. La medición del flujo de aire se utiliza para que el sistema de control del motor determine las condiciones de combustión, controle la relación aire - combustible, arranque, encendido, etc. Hay cuatro tipos de sensores de flujo de aire, a saber, el tipo de ala giratoria, el tipo de vórtice carmen, el tipo y el tipo de película térmica. Los principales indicadores técnicos del sensor de flujo de aire: el rango de trabajo es de 0,11 a 103 metros 3 / min, la temperatura de trabajo es de - 40 a 120 grados celsius, y la precisión es ≤ 1%. El sensor de flujo de combustible se utiliza para detectar el flujo de combustible, principalmente ruedas de agua y bolas circulantes, su rango dinámico es de 0 a 60 kg / h, la temperatura de trabajo es de - 40 a 12 grados celsius, la precisión es de ± 1%, el tiempo de respuesta es ¿ lt; 10 ms.

La compañía microswitch, una subsidiaria de honeywell, ha fabricado un chip de sensor de flujo de aire de microapuente con tecnología de micromecánica térmica, que utiliza tecnología de micromecánica para mecanizar una cavidad en un disco de silicio y una resistencia al platino cuelga de la cavidad. Cuando el aire fluye a través del dispositivo, se produce una transmisión de calor de abajo a arriba en la dirección del flujo de aire, por lo que la resistencia inferior se enfría y la resistencia superior se calienta, y el flujo de aire se puede medir cambiando la resistencia del puente eléctrico.

(4) sensores de posición y velocidad

Los sensores de posición y velocidad del cigüeñal se utilizan principalmente para detectar el ángulo de rotación del cigüeñal del motor, la velocidad del motor, la apertura del acelerador, la velocidad del vehículo, etc., proporcionando señales de punto de referencia para el momento de encendido y el momento de inyección de combustible, y al mismo tiempo, proporcionando señales de velocidad del motor. En la actualidad, los sensores de posición y velocidad utilizados en los automóviles incluyen principalmente alternador, resistencia magnética, efecto hall, interruptor de chip, óptico, Transistor magnético semiconductor, etc. su rango de medición es de 0 ° a 360 °, la precisión es mejor que ± 0,5 ° y el ángulo de flexión alcanza ± 0,1 °.

Hay muchos tipos de sensores de velocidad, incluyendo ruedas sensibles que giran, ejes de transmisión de potencia sensibles que giran y ejes pasivos diferenciales sensibles que giran. Cuando la velocidad del vehículo es superior a 100 km / h, el error del método de medición general es mayor, se necesita un sensor de velocidad fotoeléctrico sin contacto, el rango de medición de velocidad es de 0,5 - 250 km / h, la precisión de repetición es del 0,1%, y el error de medición de distancia es mejor que el 0,3%.

(5) sensor de concentración de gas

El sensor de concentración de gas se utiliza principalmente para detectar las emisiones de gas y gases de escape en la carrocería. Entre ellos, el principal es el sensor de oxígeno, que detecta el contenido de oxígeno en el gas de escape del automóvil, determina la relación aire - combustible de acuerdo con la concentración de oxígeno en el gas de escape y envía una señal de retroalimentación al dispositivo de control de microcomputadoras para controlar la convergencia de la relación aire - combustible a los valores teóricos. Los sensores comunes de óxido de germanio (la temperatura de uso es de - 40 a 900 grados celsius, la precisión es del 1%), los sensores de gas de batería de concentración de óxido de cromo (la temperatura de uso es de 300 a 800 grados celsius), los sensores de gas de óxido de cromo electrolítico sólido (la temperatura de uso es de 0 a 400 grados celsius, la precisión es del 0,5%), además, hay sensores de dióxido de titanio y sensores de oxígeno de dióxido de zirconia. En comparación con los sensores de óxido de germanio, los sensores de dióxido de titanio tienen las características de una estructura simple, ligera, barata y una fuerte resistencia a la contaminación por plomo: los sensores de microiones de dióxido de Zirconia están compuestos por iones de Zirconia estabilizados por óxido de calcio, electrodos de trabajo de película gruesa de platino poroso, electrodos de parámetros de película gruesa de paladio / óxido de paladio, capa impermeable, contacto con electrodos y capa protectora. Entre ellos, el óxido de calcio estabilizado Zirconia se acumula por pulverización de reacción. Tanto los Electrodos de trabajo como los Electrodos de referencia están hechos por un proceso de película gruesa. El voltaje de salida cerca del punto ideal A / F cambia bruscamente, y cuando la relación aire - combustible aumenta y la concentración de oxígeno en el gas de escape aumenta, el voltaje de salida del sensor de oxígeno disminuye; Cuando la relación aire - combustible se reduce y la concentración de oxígeno en los gases de escape disminuye, el voltaje de salida del sensor de oxígeno aumenta. La unidad de control electrónico identifica esta señal repentina y corrige la cantidad de inyección de combustible, ajustando así la relación aire - combustible en consecuencia para que cambie cerca de la relación aire - combustible ideal.

(6) sensores de deflagración

El sensor de deflagración se utiliza para detectar la vibración del motor, ajustando el control del ángulo de avance del encendido y evitando deflagraciones en el motor. Para ejercer la Potencia del motor en un gran límite sin producir deflagración, el ángulo de avance del encendido debe controlarse en el valor crítico generado por la deflagración. cuando el motor produce deflagración, el sensor convierte la vibración causada por la deflagración en una señal eléctrica y la transmite a la unidad de control electrónico. Hay tres métodos para detectar la presión del cilindro, la vibración del cuerpo del motor y el ruido de combustión. Los sensores de deflagración son magnéticos y piezoeléctricos. La temperatura de uso del sensor de deflagración magnetostrictivo es de - 40 a 125 grados celsius, y el rango de frecuencia es de 5 a 10 khz; El sensor de deflagración piezoeléctrico tiene una sensibilidad de 200 MV / GN a una frecuencia central de 5417 kHz y una amplitud de 0,1 a l0gn. Hay una buena lineal en el rango.

(7) sensor de posición del acelerador

El sensor de posición del acelerador está instalado en el acelerador y su función es convertir la señal de apertura del acelerador del motor en una señal eléctrica y transmitirla a la hoja de control electrónico para percibir el tamaño de la carga del motor y las condiciones de aceleración y desaceleración. El uso común es el sensor de posición del acelerador de Resistencia variable. El sensor es un sensor típico del acelerador, que consta principalmente de dos partes: un cambiador de posición lineal y un contacto de ralentí. El convertidor de Resistencia está hecho de resistencia de película cerámica, y el contacto deslizante está controlado por un resorte de reinicio, que gira en el mismo eje que el acelerador. Durante el trabajo, los contactos del convertidor lineal se deslizan sobre el cuerpo de resistencia, y de acuerdo con el valor de Resistencia cambiante, se puede medir una señal de voltaje de salida lineal proporcional a la apertura del acelerador. De acuerdo con el valor de la tensión de salida, la unidad de control electrónico puede conocer la apertura y la tasa de cambio de apertura del acelerador, juzgando así las condiciones de funcionamiento del motor y mejorando la precisión y el efecto del control. El contacto deslizante de la señal de ralentí es un contacto normalmente abierto, que solo se cierra cuando el acelerador está completamente cerrado, produciendo una señal de contacto de ralentí, que se utiliza principalmente para el control de ralentí, el control de corte de aceite y la corrección del ángulo de avance del encendido.

2.2 sensores para sistemas de Seguridad

La seguridad es el primer factor considerado por el automóvil, y también hay muchos sensores para la seguridad, como acelerómetros en miniatura para airbags del automóvil, giroscopios micromecánicos de superficie para medir la velocidad angular, etc.

(1) sensor de microaltación

Los airbags son y serán una de las principales aplicaciones al nacer de memsj. El rango del acelerómetro de silicio utilizado es generalmente de 50 gn. el acelerómetro de silicio anterior, como el fabricado con tecnología de micromecánica a granel utilizada por motorola.

El sueco Henrik y otros han informado de un nuevo acelerómetro triaxial de silicio con parámetros estructurales de forma de 6 mm x 4 mm x 1,4 mm, que cuenta con cuatro bloques de masa sensibles, cuatro electrodos de lectura de señal independientes y cuatro electrodos de referencia. Utiliza hábilmente las características estructurales de las vigas sensibles que tienen una rigidez muy pequeña en su dirección de espesor y pueden ser sensibles a la aceleración, y tienen una rigidez relativamente grande en otras direcciones y no pueden ser sensibles a la aceleración. En la sección transversal del acelerómetro, debido a la corrosión isotrópica, la dirección del espesor de la viga sensible es de 35,26 ° (tan 35,26 ° = 0707) con la dirección normal del acelerómetro (eje z).

(2) giroscopio micromecánico de superficie

El giroscopio tradicional está compuesto por un rotor giratorio de alta velocidad, un anillo interior, un anillo exterior y una base. el anillo interior y el anillo exterior de este giroscopio generalmente están apoyados por rodamientos de bolas. estos generalmente están hechos de métodos de mecanizado y requieren una alta precisión de procesamiento, gran dificultad y un giroscopio hecho de gran volumen y masa pesada. El giroscopio micromecánico es un dispositivo electromecánico con circuitos complejos de detección y control. Saidemelper y otros informaron de un giroscopio micromecánico superficial con una estructura simétrica y características de desacoplamiento. La estructura sensible, que cuenta con "anclajes" de soporte en los cuatro rincones de su exterior, es diferente de la forma tradicional de lograr el soporte directo sobre el "ancla", que utiliza un bloque de masa sensible de estructura simétrica para apoyarse en la viga de conexión y conectar orgánicamente el electrodo de accionamiento y el electrodo sensible a través de la viga. Después de la simulación y el análisis con el paquete de software de simulación de dispositivos micro (memcad), se puede ver que las vibraciones en las dos direcciones no afectan entre sí, por lo que este método de conexión no tiene que considerar el acoplamiento mecánico.

El parámetro estructural del contorno exterior plano del giroscopio micromecánico es de 1 mm2, y el espesor es de solo 2 / Mu m. Funciona de la siguiente manera: cuando se aplica un voltaje de sesgo de corriente continua en un bloque de masa sensible y se aplica un voltaje de excitación de CA adecuado entre el dedo tenedor móvil y el dedo tenedor fijo, el bloque de masa sensible producirá vibraciones inherentes en la dirección del eje Y. Cuando el giroscopio siente la velocidad angular alrededor del eje z, debido al efecto koch, el bloque de masa sensible producirá vibraciones adicionales a lo largo del eje X. La velocidad angular medida se puede obtener midiendo la amplitud de vibración de la vibración adicional. En el caso atmosférico convencional, el resultado sensible tiene una resolución de 0,37 ° / S.

2.3 sensores para el monitoreo y diagnóstico automático de vehículos

En términos de monitoreo de vehículos y autodiagnóstico, una de las principales aplicaciones de la tecnología microelectromes será el monitoreo de presión de neumáticos; Le siguen los sensores aplicados a sistemas de refrigeración, frenos, etc. Además, hay como el uso de sensores ópticos en el sistema de control de brillo; El uso de sensores magnéticos y sensores de velocidad de flujo de aire en el sistema de conducción electrónica; En el sistema de aire acondicionado automático, se utilizan sensores de temperatura interior, sensores de temperatura de aspiración, sensores de volumen de aire, sensores de sol, sensores de humedad; En el sistema de conducción Guía se utilizan sensores de orientación, sensores de velocidad, etc.

2.4 aplicación de la microelectrónica de alta temperatura en automóviles

La Microelectrónica de alta temperatura desempeña un papel muy importante en el control del motor del automóvil, el cilindro y el tubo de escape, la suspensión y el freno electrónicos, la gestión y distribución de energía y otros aspectos del monitoreo. Por ejemplo: los sensores y controladores microelectrónicos de alta temperatura para el control del motor ayudarán a un mejor monitoreo y control de la combustión, lo que hará que la combustión sea más *, mejorando la eficiencia de la combustión. Sin embargo, los Dispositivos microelectrónicos hechos con la tecnología tradicional de semiconductores de silicio ya no son competentes porque no pueden funcionar a altas temperaturas. Para resolver el problema de la medición de la temperatura en entornos de alta temperatura, es necesario desarrollar un nuevo material para reemplazar los materiales semiconductores tradicionales. El material semiconductor de banda ancha de tercera generación sic tiene una serie de ventajas, como Alto campo eléctrico de ruptura, alta velocidad de deriva electrónica saturada, alta conductividad térmica y fuerte resistencia a la irradiación, y es especialmente adecuado para la fabricación de dispositivos semiconductores como Alta temperatura, alta presión, alta potencia y resistencia a la irradiación. Los sensores sic integrados pueden entrar en contacto directamente con tanques de alta temperatura y tubos de escape, lo que permite obtener más información sobre la eficiencia de la combustión de combustible y la reducción de las emisiones de escape. Los estudios han demostrado que una vez que la tecnología de semiconductores sic pueda resolver el desarrollo ulterior de materiales, encapsulamientos y otras tecnologías, el rango de trabajo de los dispositivos de potencia sic superará a los dispositivos de potencia de silicio tradicionales, y su volumen será menor que el de los dispositivos de potencia de Si.

　　3. observaciones finales

Debido al importante papel de los sensores automotrices en los sistemas de control electrónico automotriz y la rápida demanda del mercado, los países de todo el mundo prestan gran atención a su investigación teórica, aplicaciones de nuevos materiales y desarrollo de nuevos productos. La tendencia general de desarrollo de la tecnología de sensores automotrices en el futuro es la miniaturización, la versatilidad, la integración y la inteligencia.

Los sensores en miniatura basados en la tecnología microelectrónica tienen la ventaja de reducir el costo de los sistemas electrónicos automotrices y mejorar su rendimiento, y han comenzado a reemplazar gradualmente a los sensores basados en la tecnología electromecánica tradicional. Con el progreso de la nanotecnología, los sensores en miniatura más pequeños, más baratos y más funcionales se utilizarán ampliamente en todos los aspectos del automóvil. En los próximos años, las aplicaciones que incluyen la gestión del funcionamiento del motor, el control de gases residuales y calidad del aire, el Sistema antibloqueo de frenos, el control dinámico del vehículo, la navegación adaptativa y el sistema de Seguridad de la conducción del vehículo proporcionarán un amplio mercado para la tecnología microelectrónica.