Os carros modernos estão passando de um simples meio de transporte para atender às necessidades humanas e para serem seguros, confortáveis, convenientes e sem poluição. A chave para alcançar esses objetivos é a eletronização e a inteligência dos veículos, o pré-requisito é o acesso oportuno a uma variedade de informações, o que exige a adoção de sensores em massa nos veículos. Os sensores tradicionais tendem a ser grandes, pesados e de alto custo, o que limita a sua aplicação em automóveis.

Nos últimos anos, a tecnologia de sistemas microeletrônicos mecânicos (MESM), desenvolvida a partir da tecnologia de circuitos integrados semicondutores (IC), está madurando cada vez mais. Micro-sensores são dispositivos micro-eletromecânicos atualmente bem sucedidos e práticos, incluindo principalmente micro-sensores de pressão e micro-sensores de aceleração que utilizam a deformação mecânica de micromembranas para gerar saídas de sinais de telecomunicações; Além disso, existem microsensores de temperatura, campos magnéticos, sensores de gás, etc., a maioria desses microsensores tem uma área inferior a 1 mm2. À medida que a tecnologia de processamento microeletrônico, especialmente a tecnologia de nanoprocessamento, avança, a tecnologia de sensores também evoluirá de microsensores para nanosensores. O pequeno tamanho desses microsensores permite muitas funcionalidades totalmente novas, facilita a produção em massa e de alta precisão, o baixo custo de peças individuais e facilita a formação de matrizes em grande escala e versátiis, o que os torna perfeitos para aplicações automotivas.

　　Classificação de sensores para automóveis

Sensores para automóveis são o nome geral para vários sensores usados ​​em sistemas de exibição e controle eletrônico de automóveis. Envolve muitos sensores de quantidade física e sensores de quantidade química. Esses sensores permitem que o motorista perceba o estado de todas as partes do veículo; Ou para controlar o estado de todas as partes do carro. De acordo com o papel no veículo pode ser dividido em motor de controle, chassi de controle e fornecer ao motorista uma variedade de sensores de informação, os materiais que compõem esses sensores são cerâmicas finas, materiais semicondutores, fibras condutoras de luz e filmes de polímeros, etc.; Dividir sensores analógicos e digitais por características de saída; Dividido por princípio de composição, há tipo estrutural, tipo de resistência e tipo composto. Por conveniência, é classificado por objeto de controle do sensor do automóvel, como mostrado na Tabela 1.

　　Aplicação de Microsensores em Automóveis

Há muitos tipos de sensores usados ​​em carros, com uma ampla gama de aplicações. Abaixo apresentamos as aplicações dos sensores no controle de motores de automóveis, sistemas de segurança, monitoramento de veículos e autodiagnóstico.

2.1 Sensores para controle de motores de automóveis

O controle eletrônico de motores tem sido considerado uma das principais áreas de aplicação da tecnologia MEMS em automóveis. Os sensores do sistema de controle do motor são o núcleo de todo o sensor do automóvel, com muitas variedades, incluindo sensores de temperatura, sensores de pressão, sensores de posição e velocidade, sensores de fluxo, sensores de concentração de gás e sensores de choque: estes sensores fornecem informações sobre o estado de funcionamento do motor à unidade de controle eletrônico do motor para que a unidade de controle eletrônico controle o estado de funcionamento do motor para melhorar a potência do motor, reduzir o consumo de combustível, reduzir as emissões de gases de escape e realizar a detecção de falhas.

(1) Sensor de substituição de temperatura

Os sensores de temperatura para automóveis são usados ​​principalmente para detectar a temperatura do motor, a temperatura do gás de inalação, a temperatura da água de resfriamento, a temperatura do combustível e a temperatura da catálise. Os sensores de temperatura têm três tipos principais de termoresistor, resistor enrolado e resistor de termopar. Cada um desses três tipos de sensores tem suas características e suas aplicações também são ligeiramente diferenciadas. O sensor de temperatura termoresistente é altamente sensível e tem melhores propriedades de resposta, mas é linear e tem baixas temperaturas de adaptação. Entre eles, a gama de medição de temperatura do tipo universal é de -50 a 30 ° C, a precisão é de 1,5%, o tempo de resposta é de 10 ms; o tipo de alta temperatura é de 600 a 1000 cC, a precisão é de 5%, o tempo de resposta é de 10 ms; a precisão do sensor de temperatura de resistência enrolada é alta, mas as características de resposta são pobres; Os sensores de temperatura resistentes a termopar têm uma alta precisão e uma ampla gama de temperaturas de medição, mas precisam ser usados em conjunto com o amplificador e o tratamento frio. Outros produtos já usados ​​são sensores de temperatura de ferroxido (gama de medição de temperatura de -40 a 120 ° C, precisão de 2,0%), sensores de temperatura do ar de membrana metálica ou semicondutora (gama de medição de temperatura de -40 a 150 ° C, precisão de 2,0%, 5%, tempo de resposta de cerca de 20ms), etc.

(2) Sensores de pressão

O sensor de pressão é o sensor mais usado no automóvel, usado principalmente para detectar a pressão de armazenamento de gás do saco de ar, a pressão do fluido do sistema de transmissão, a pressão do combustível de injeção, a pressão do óleo do motor, a pressão do tubo de entrada de ar, a pressão do fluido do sistema de filtragem de ar, etc. No momento. As principais empresas dedicadas ao desenvolvimento e produção de sensores de pressão para automóveis são Motorola, Deco Electronics, LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo， Siemens, Texas Instruments, etc.

Os sensores de pressão de automóveis mais comuns são capacitivos, resistivos, transformadores diferenciais e ondas de superfície sonora. O sensor de pressão capacitivo é usado principalmente para detectar pressão negativa, hidráulica, pressão atmosférica, com uma faixa de medição de 20 a 100 kPa, caracterizada por alta energia de entrada, boas características de resposta dinâmica e boa adaptabilidade ambiental; O desempenho do sensor de pressão de resistência à pressão é muito afetado pela temperatura e requer um circuito de compensação de temperatura separado, mas adaptado à produção em massa; O sensor de pressão tipo transformador diferencial tem uma saída grande, fácil de saída digital, mas má resistência à interferência; O sensor de pressão de onda de superfície sonora tem pequeno volume, qualidade leve, baixo consumo de energia, alta confiabilidade, alta sensibilidade, alta resolução, saída digital e outras características para a detecção de pressão da válvula de aspiração de automóveis e pode trabalhar de forma estável em altas temperaturas.

O sensor inteligente de pressão dos pneus KPS00, desenvolvido pela empresa alemã Infineon, integra um módulo de sensor de pressão e temperatura, que não precisa adicionar um sensor de aceleração ao módulo do sensor e pode ser auto-inspecionado automaticamente quando o veículo é iniciado e pode medir pressão, temperatura e tensão. Todas as funções são integradas em um semicondutor bipolar complementar de óxido de metal (BiCMOS) de 0,8 μm usando a tecnologia de micromecânica de superfície. Os identificadores de chip de 32 bits armazenados na memória de leitura-somente podem ser eletricamente apagados em cada módulo de sensor. O identificador do chip pode ser lido por uma interface serial sincronizada e, além disso, pode ser usado para identificar a localização de cada sensor de pressão dos pneus. Ao receber dados, primeiro de tudo, verifique o identificador do chip e, se o identificador do chip não for compatível, abandone o quadro de dados recebido.

(3) Sensores de fluxo

Os sensores de fluxo são usados principalmente para medir o fluxo de ar do motor e o fluxo de combustível. A entrada de ar é um dos parâmetros básicos para o cálculo da injeção de combustível. Função do sensor de fluxo de ar: detecta o tamanho do fluxo de ar e converte-o em sinal elétrico para a unidade de controle eletrônico do motor. A medição do fluxo de ar é usada no sistema de controle do motor para determinar as condições de combustão, controlar a relação de combustão do ar, iniciar, acender, etc. O sensor de fluxo de ar tem quatro tipos, como o tipo de asas rotativas, o tipo de turbo de Carmen, o tipo e o tipo de película térmica. Os principais indicadores técnicos do sensor de fluxo de ar: a faixa de trabalho é de 0,11 a 103 m3 / min, a temperatura de trabalho é de -40 a 120 ° C, a precisão ≤ 1%. O sensor de fluxo de combustível é usado para detectar o fluxo de combustível, principalmente roupa de água e bola circular, com uma faixa dinâmica de 0 a 60 kg / h, temperatura de funcionamento de -40 a 12 ° C, precisão de ± 1%, tempo de resposta de 10 ms.

A empresa microswitch, uma filial da Honeywell, usou a tecnologia de microprocessamento térmico para fabricar um chip de sensor de fluxo de ar microponte, que usa a tecnologia de microprocessamento para processar cavidades em círculos de silício com resistências de platina suspensas acima da cavidade. Quando o ar flui através do dispositivo, ocorre a transferência de calor da direção de fluxo de ar abaixo para cima, portanto, a resistência inferior é resfriada, a resistência superior é aquecida e a mudança da resistência da ponte pode medir o fluxo de ar.

(4) Sensores de posição e velocidade

O sensor de posição do eixo e velocidade de rotação é usado principalmente para detectar o ângulo do eixo do motor, a velocidade do motor, a abertura do regulador, a velocidade do carro, etc., fornecendo um sinal de ponto de referência para o momento da ignição e o momento da injeção de óleo, ao mesmo tempo, fornecendo um sinal de velocidade do motor. Atualmente, os sensores de posição e velocidade usados ​​por automóveis são principalmente geradores de corrente alterna, resistência magnética, efeito Hall, tipo de interruptor, óptico, tipo de transistor magnético semicondutor, etc., a sua faixa de medição é de 0 ° ~ 360 °, a precisão é melhor que ± 0,5 °, o ângulo de curvatura de medição é de ± 0,1 °.

Há uma grande variedade de sensores de velocidade, com rotação sensível das rodas, também com rotação sensível do eixo de transmissão de força, e também com rotação sensível da diferença de velocidade do eixo de transmissão. Quando a velocidade do veículo é superior a 100 km / h, o erro do método de medição geral é grande, o sensor de velocidade fotoelétrico sem contato é necessário, a faixa de velocidade de medição é de 0,5 a 250 km / h, a precisão de repetição é de 0,1%, o erro de medição da distância é melhor que 0,3%.

(5) Sensores de concentração de gás

Os sensores de concentração de gases são usados principalmente para detectar emissões de gases e gases de escape no interior do veículo. Entre eles, o principal é o sensor de oxigênio, que detecta o teor de oxigênio nos gases de escape do automóvel, determina a relação de combustão do ar de acordo com a concentração de oxigênio nos gases de escape e envia um sinal de feedback ao dispositivo de controle do microcomputador para controlar a convergência da relação de combustão do ar ao valor teórico. Sensores de óxido de germânio comumente usados (temperatura de uso de -40 a 900 ° C, precisão de 1%), sensor de gás de diferença de bateria de óxido de cromo (temperatura de uso de 300 a 800 ° C), sensor de gás de óxido de cromo eletrolítico sólido (temperatura de uso de 0 a 400 ° C. precisão de 0,5%), além disso, há sensores de dióxido de titânio e dióxido de zircónio. Em comparação com o sensor de óxido de germânio, o sensor de dióxido de titânio tem características de estrutura simples, leve, barata e resistente à poluição por chumbo: o sensor de íons de dióxido de zircónio é composto por íons de óxido de zircónio estáveis ​​de óxido de cálcio, elétrodos de trabalho de película espessa de platina porosa, elétrodos de parâmetros de película espessa de paládio / óxido de paládio, camada impermeável, contato de elétrodos e camada protetora. Entre eles, o óxido de cálcio estável é acumulado pelo método de pulverização de reação. Os eletrodos de trabalho e os eletrodos de referência são fabricados pelo processo de película grossa. A tensão de saída ocorre abruptamente perto do ponto A / F ideal, e a tensão de saída do sensor de oxigênio diminui quando a relação de combustão do ar aumenta e a concentração de oxigênio no gás de escape aumenta; Quando a relação de combustão do ar diminui e a concentração de oxigênio no gás de escape diminui, a tensão de saída do sensor de oxigênio aumenta. A unidade de controle eletrônica reconhece esse sinal mutante e corrige o volume de injeção de óleo, ajustando a relação de combustão do ar de acordo para que ela mude perto da relação de combustão do ar ideal.

(6) Sensores de choque

Os sensores de choque são usados ​​para detectar a vibração do motor, ajustando o ângulo de adiantamento da ignição para controlar e evitar choques no motor. Para maximizar a potência do motor sem a explosão, o ângulo de adiantamento da ignição deve ser controlado no valor crítico gerado pela explosão, quando o motor produz uma explosão, o sensor transforma a vibração causada pela explosão em sinal elétrico e transmite para a unidade de controle eletrônico. Existem três métodos para detectar a pressão do cilindro, a vibração do corpo do motor e o ruído de queima. Os sensores de choque de explosão são magnetoelétricos e piezoelétricos. A temperatura de uso do sensor de choque magnético retrátil é de -40 a 125 ° C e a faixa de frequência é de 5 a 10 kHz; Sensor de choque piezoelétrico na frequência central de 5,417 kHz, sua sensibilidade pode chegar a 200mV / gn, na amplitude de 0,1 ~ l0gn. Há boa linearidade no intervalo.

(7) Sensor de posição da válvula de regulação

O sensor de posição do regulador é instalado no regulador, cuja função é converter o sinal de abertura do regulador do motor em sinal elétrico e transmitir para a unidade de controle eletrônica para detectar o tamanho da carga do motor e as condições de aceleração. O sensor de posição da valva de retenção de ar de resistência variável é comumente usado. Este sensor é um sensor típico de regulador de ar que consiste principalmente em duas partes de um deslocador linear e um contato de velocidade lenta. Os deslocadores de resistência são feitos de resistência de película cerâmica e os contatos deslizantes são controlados por uma mola de reposição que gira coaxialmente com a valva de regulação. Durante o trabalho, o contato do translocador linear desliza sobre o resistor e, de acordo com a mudança do valor da resistência, o sinal de tensão de saída linear pode ser medido em proporção à abertura do regulador. De acordo com o valor da tensão de saída, a unidade de controle eletrônico pode obter informações sobre a abertura e a taxa de mudança de abertura da válvula reguladora, para avaliar as condições operacionais do motor e melhorar a precisão e o efeito do controle. O contato de deslizamento do sinal de inatividade é um contato aberto comum, apenas quando o regulador está totalmente fechado, gerando um sinal de contato de inatividade, usado principalmente para o controle de inatividade, controle de corte de óleo e correção do ângulo de adiantamento da ignição.

2.2 Sensores para sistemas de segurança

A segurança é um fator primário para o automóvel, e muitos sensores são usados ​​em termos de segurança, como micro-acelerômetros para airbags de automóveis, giroscópios micromecânicos de superfície para velocidades angulares, etc.

(1) Sensor de microaceleração

O airbag é e será uma das principais aplicações do nascimento do MEMSj. Os acelerômetros de silício usados geralmente têm um alcance de 50gn. Sensores de aceleração de silício mais antigos, como a tecnologia de microprocessamento corporal da Motorola.

Henrik et al, da Suécia, relataram um novo tipo de acelerômetro de micro trieixo de silício com parâmetros estruturais de 6mm x 4mm x l.4mm, com quatro blocos de massa sensíveis, quatro eletrodos de leitura de sinal independentes e quatro eletrodos de referência. Ele aproveita hábilmente as características estruturais da viga sensível, com uma rigidez muito pequena na direção da sua espessura e capaz de ser sensível à aceleração, enquanto que em outras direções a rigidez é relativamente grande e não é sensível à aceleração. Na seção transversal do acelerômetro, devido à corrosão heterossexual, a direção da espessura da viga sensível e a direção da linha do acelerômetro (eixo z) são 35,26 ° (tan35,26 ° = 0,707).

(2) Giroscópio micromecânico de superfície

O giroscópio tradicional é composto por rotores de rotação de alta velocidade, aneis internos, aneis externos e bases, este tipo de giroscópio anel interno e externo é geralmente apoiado por rolamentos de esferas, estes são geralmente feitos com métodos de processamento mecânico, exigem alta precisão de processamento, grande dificuldade, e o giroscópio feito é grande e pesado. Os giroscópios micromecânicos são dispositivos MEMS com circuitos de detecção e controle complexos. Said, Emre, Alper e outros relataram um giroscopio micromecânico de superfície com simetria estrutural e propriedades de desacoplamento. A estrutura sensível estabelece uma "âncora" de suporte em todos os seus quatro ângulos exteriores e, ao contrário da forma como o suporte direto tradicional é implementado na "âncora", usa uma estrutura simétrica para apoiar blocos de massa sensíveis na viga de conexão e conectar organicamente os eletrodos de accionamento e os eletrodos sensíveis através da viga. Após a análise da simulação com o pacote de software de simulação de microdispositivos (MEMCAD), é conhecido que as vibrações em duas direções não afetam um ao outro, portanto, esse tipo de conexão não precisa considerar o acoplamento mecânico.

Os parâmetros estruturais do contorno externo plano deste giroscópio micromecânico são de 1mm2 e a espessura é de apenas 2/μm. Seu princípio de funcionamento é: quando a tensão de desvio de corrente contínua é aplicada ao bloco de massa sensível e a tensão de estímulo de corrente alterna apropriada é aplicada entre o dedo de forca ativo e o dedo de forca fixo, o bloco de massa sensível gerará vibrações inerentes na direção do eixo y. Quando o giroscópio detecta a velocidade angular em torno do eixo Z, o bloco de massa sensível gerará vibrações adicionais ao longo do eixo X devido ao efeito Koch. A velocidade angular medida é obtida medindo a amplitude da vibração adicional. Em circunstâncias atmosféricas convencionais, esse resultado sensível tem uma resolução de 0,37°/s.

2.3 Sensores para monitoramento e autodiagnóstico de veículos

Em termos de monitoramento de veículos e auto-diagnóstico, uma das principais aplicações da tecnologia MEMS será o monitoramento da pressão dos pneus; Em segundo lugar, os sensores são usados ​​em sistemas como refrigeração e freios. Além disso, há como o uso de sensores de luz em sistemas de controle de brilho; Utilização de sensores magnéticos, sensores de velocidade do fluxo de ar em sistemas de condução eletrônica; Utilização de sensores de temperatura interior, sensores de temperatura de aspiração, sensores de volume de ar, sensores de luz solar, sensores de umidade em sistemas automáticos de ar condicionado; Utilize sensores de direção, sensores de velocidade, etc. no sistema de condução guiada.

2.4 Aplicações de microeletrônica de alta temperatura em automóveis

A microeletrônica de alta temperatura desempenha um papel muito importante no controle de motores de automóveis, cilindros e tubos de escape, suspensões eletrônicas e freios, gerenciamento e distribuição de potência. Por exemplo, os sensores e controladores microeletrônicos de alta temperatura para o controle do motor ajudarão a melhorar o monitoramento e o controle da queima, tornando a queima mais* e melhorando a eficiência da queima. No entanto, os dispositivos microeletrônicos fabricados com a tecnologia convencional de semicondutores de silício não podem funcionar a altas temperaturas. Para resolver o problema da medição de temperatura em ambientes de alta temperatura, é necessário desenvolver um novo material para substituir os materiais semicondutores tradicionais. O material semicondutor de banda larga de terceira geração SiC tem uma série de vantagens como campos elétricos de alta ruptura, alta taxa de deriva elétrica saturada, alta condutividade térmica e resistência à radiação, especialmente adequado para a produção de dispositivos semicondutores de alta temperatura, alta tensão, alta potência e resistência à radiação. Os sensores SiC integrados podem entrar em contato direto com o tanque de combustível de alta temperatura e os tubos de escape para obter mais informações sobre a eficiência da queima de combustível e a redução das emissões de gases de escape. A pesquisa mostrou que, uma vez que a tecnologia de semicondutores de SiC pode resolver materiais, embalagens e outras tecnologias e obter mais desenvolvimento, o âmbito de trabalho do dispositivo de potência de SiC excederá o dispositivo de potência de silício tradicional, além disso, seu volume também é menor do que o dispositivo de potência de SiC.

　　3 - Palavras finais

Devido ao papel importante dos sensores automotivos nos sistemas de controle eletrônico automotivo e à demanda de mercado em rápido crescimento, países de todo o mundo atribuem grande importância à pesquisa teórica, às aplicações de novos materiais e ao desenvolvimento de novos produtos. A tendência geral de desenvolvimento da tecnologia de sensores para automóveis do futuro é a miniaturização, versatilidade, integração e inteligência.

Os microsensores baseados na tecnologia MEMS têm a vantagem de reduzir os custos dos sistemas eletrônicos automotivos e melhorar o seu desempenho, e começaram a substituir gradualmente os sensores baseados na tecnologia eletromecânica tradicional. À medida que a nanotecnologia avança, microsensores menores, mais baratos e mais poderosos serão amplamente utilizados em todos os aspectos do automóvel. Nos próximos anos, aplicações que incluem gerenciamento de operação do motor, controle de qualidade dos gases de escape e do ar, sistemas anti-travagem, controle de dinâmica do veículo, navegação adaptativa e sistemas de segurança de condução do veículo proporcionarão um amplo mercado para a tecnologia MEMS.