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智能传感器与现代汽车电子

作者:未知
出处:论文网
时间:2007-03-07



首先必须说明的是,在绝大多数情况下,本文大小标题及全文中所说的传感器其实是泛指了三大类器件:将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器;将电学信号转换成非电学参量输出的执行器;以及既能用作传感器又能用作执行器,其中较多的是将一种电磁学参量形式转变成另一种电磁学参量形态输出的变送器。就是说,关于微传感器、智能传感器的技术特性可以扩大类推到微执行器、微变送器-传感器(或执行器、或变送器)的物理尺度中至少有一个物理尺寸等于或小于亚毫米量级的。微传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物,而是基于半导体工艺技术的新一代器件:应用新的工作机制和物化效应,采用与标准半导体工艺兼容的材料,用微细加工技术制备的。因此有时也称为硅传感器。可以用类似的定义和技术特征类推描述微执行器和微变送器。

它由两块芯片组成,一是具有自检测能力的加速度计单元(微加速度传感器),另一块则是微传感器与微处理器(MCU)间的接口电路和MCU。这是一种较早期(1996年前后)的,但已相当实用的器件,可用于汽车的自动制动和悬挂系统中,并且因微加速度计具有自检能力,还可用于安全气囊。从此例中可以清楚看到,微传感器的优势不仅是体积的缩小,更在于能方便地与集成电路组合和规模生产。应该指的是,采用这种两片的解决方案可以缩短设计周期、降低开发前期小批量试产的成本。但对实际应用和市场来说,单芯片的解决方案显然更可取,生产成本更低,应用价值更高。

智能传感器(Smart Sensor)、智能执行器和智能变送器-微传感器(或微执行器,或微变送器)和它的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上的器件(例如上述的微加速度计的单芯片解决方案)。因此智能传感器具有一定的仿生能力,如模糊逻辑运算、主动鉴别环境,自动调整和补偿适应环境的能力,自诊断、自维护等。显然,出于规模生产和降低生产成本的要求,智能传感器的设计思想、材料选择和生产工艺必须要尽可能地和集成电路的标准硅平面工艺一致。可以在正常工艺流程的投片前,或流程中,或工艺完成后增加一些特殊需要的工序,但也不应太多。

在一个封装中,把一只微机械压力传感器与模拟用户接口、8位模-数转换器(SAR)、微处理器(摩托罗拉69HC08)、存储器和串行接口 (SPI)等集成在一个芯片上。其前端的硅压力传感器是采用体硅微细加工技术制作的。制备硅压力传感器的工序既可安排在集成 CMOS 电路工艺流程之前,亦可在后。这种智能压力传感器的技术和市场都已成熟,已广泛用于汽车(机动车)所需的各式各样的压力测量和控制单元中,诸如各种气压计、喷嘴前集流腔压力、废气排气管、燃油、轮胎、液压传动装置等。智能压力传感器的应用很广,不局限于汽车工业。目前,生产智能压力传感器的厂商已不少,市售商品的品种也很多,已经出现激烈的竞争。结果是智能压力传感器体积越来越小,随之控制单元所需的外围接插件和分立元件越来越少,但功能和性能却越来越强,而且生产成本降低很快(现在约为几美元一只)。

顺便需要说说的是,在一些中文资料中,尤其是一些产品宣传性材料中,笼统地将Smart Sensor(或device)和Intelligent sensor(或device)都称之为智能传感器,但在欧美文献中是有所差别的。西方专家和公众通常认为,Smart(智能型)传感器比Intelligent(知识型)的智慧层次和能力更高。当然,知识型的内涵也在不断进化,但那些只能简单响应环境变化,作一些相应补偿、调整工作状态的,特别是不需要集成处理器的器件,其知识等级太低,一般不应归入智能器件范畴。

相信大多数读者能经常接触到的,最贴近生活的智能传感器可能要算是用于摄像头、数码相机、摄像机、手机摄像中的CCD图像传感器了。这是一种非智能型传感器莫属的情况,因为CCD 阵列中每个硅单元由光转换成的电信号极弱,必须直接和及时移位寄存、并处理转换成标准的图像格式信号。还有更复杂一些的,在中、高档长焦距(IOX)光学放大数码相机和摄像机上装备的电子和光学防抖系统,特别是高端产品中的真正光学防抖系统。它的核心是双轴向或3轴向的微加速度计或微陀螺仪,通过它监测机身的抖动,并换算成镜头的各轴向位移量,进而驱动镜头中可变角度透镜的移动,使光学系统的折射光路保持稳定。

微系统(Microsystem)和MEMS(微机电系统)-由微传感器、微电子学电路(信号处理、控制电路、通信接品等)和微执行器构成一个三级级联系统、集成在一个芯片上的器件称之为微系统。如果其中拥有机械联动或机械执行机构等微机械部件的器械则称之为MEMS。

MEMS芯片的左侧给出的是制备MEMS芯片需要的基本工艺技术。它的右侧则为主要应用领域列举。很明显,MEMS 的最好解决方案也是选用与硅工艺兼容的材料及物理效应、设计理念和工艺流程,也即采用常规标准的CMOS 工艺与二维、三维微细加工技术相结合的方法,其中也包括微机械结构件的制作。

微传感器合乎逻辑的发展延伸是智能传感器,智能传感器自然延伸则是微系统和MEMS,MEMS 的进一步发展则是能够自主接收、分辨外界信号和指令,进而能独立、正确动作的微机械(Micromachines)。现在,开发成功、并已有商业产品的MEMS品种已不少,涵盖图4所示的各大领域。其中包括全光光通信和全光计算机的关键部件之一的二维、三维MEMS光开关。

通过控制芯片上的微反射镜阵列,实现光输入/输出的交叉互联。这是目前全光交换技术的成熟的最佳方案。市场上可买到的MEMS光开关已达1296路,开关转换时间约为20ms。

微机械(也称为纳米机械)则尚处于开发试验阶段,但已有许多很重要的实验室产品涌现,如著名的纳米电机、微昆虫、微直升机和潜水艇等。技术产业界普遍认为,它们的开发成功和投入实际应用将对工业技术和生活质量产生深远的影响。

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