車用傳感器發(fā)展探討

　　一般使用在車上的傳感器是以行車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為輸入裝置，它將汽車運(yùn)行中各種工作狀況信息，包括：車速、車況及各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀況及路面信息等，轉(zhuǎn)化成電訊號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，以便發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)、排放廢氣污染為最小，及車身穩(wěn)定控制使行車最安全，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究主要核心。

　　1.車用傳感器發(fā)展的主要因素--安全與舒適

　　根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司BCC研究報(bào)告指出，2005年全球車用傳感器產(chǎn)值為105億美元，預(yù)計(jì)到2010年將提高至142億美元，年平均成長(zhǎng)率為6.1%。最早車上傳感器主要是用在引擎或是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等行駛狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要有氧氣、流體、溫度、地壓與電流等傳感器。

　　隨著汽車市場(chǎng)對(duì)于駕駛安全、舒適性及操控性等要求持續(xù)提升，對(duì)分散在負(fù)責(zé)安全、舒適與環(huán)保等各個(gè)車用次系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，以提升安全功能的各式傳感器，占了整體傳感器數(shù)量的50%以上，年平均增長(zhǎng)率最高，達(dá)到了13.7%，因此從汽車安全角度來(lái)看，傳感器應(yīng)用是極為關(guān)鍵性的電子組件。

　　其次便是車用動(dòng)力傳感器，包括，速度與氧氣傳感器增長(zhǎng)率為6.7%、壓力與加速度傳感器為5.7%、空氣流量、溫度與其它傳感器增長(zhǎng)率約為4.6%，年增長(zhǎng)率約為6.2%;在所有傳感器組件中，則以速度與氧氣傳感器產(chǎn)值最高，預(yù)估將從2005年的62億美元提升至2010年的86億美元。

　　另外，在車用影像傳感器方面，根據(jù)iSuppli統(tǒng)計(jì)，車用CCD(CMOS) 影像傳感器在整個(gè)傳感器市場(chǎng)中，僅有1%左右市場(chǎng)占有率。但預(yù)期至2007年時(shí)，復(fù)合增長(zhǎng)率將會(huì)超過(guò)40%，總銷售量也會(huì)超過(guò)1,100萬(wàn)顆，未來(lái)每輛汽車上至少會(huì)裝配5至10個(gè)影像傳感器，若以一部汽車裝備10個(gè)影像傳感器，車用影像傳感器市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)16億美元。

　　2.降低事故發(fā)生率

　　汽車安全發(fā)展至今，其終極目標(biāo)就是降低事故發(fā)生率，而這也是車用傳感器發(fā)展以來(lái)最重大的指標(biāo)之一。一般人向前的視野約略超過(guò)180度，不過(guò)，車上的三面后視鏡總計(jì)不過(guò)是40-50度的后照視野，更不要說(shuō)大型車輛所能提供駕駛者的可視范圍;因此，車輛后方、側(cè)邊等死角也是造成意外擦撞的主要原因。

　　經(jīng)美國(guó)汽車安全的研究報(bào)告數(shù)據(jù)指出，在北美汽車零件市場(chǎng)中，后視鏡每年銷售金額保守估計(jì)超過(guò)2.5億美元，換句話說(shuō)每年美國(guó)車主替換數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的后視鏡，或在車子各個(gè)部位加裝新的后視鏡，來(lái)改進(jìn)汽車后方可視范圍。

　　不過(guò)，汽車后方視野盲點(diǎn)的產(chǎn)生原因很多，可能是因?yàn)楹笠曠R角度調(diào)整不正確，或是汽車結(jié)構(gòu)上有遮住駕駛員視野的后車柱，又或者是搭載大件行李遮住駕駛員向后方的視野。

　　此外目前汽車外型設(shè)計(jì)潮流走向高腰線，每部新發(fā)表的汽車外型門側(cè)車窗都更高了一些，駕駛員的視野也越來(lái)越被侵犯，而盲點(diǎn)偵測(cè)設(shè)備的需要似乎也越來(lái)越大。

　　因此，目前已有許多感測(cè)技術(shù)，甚至是雷達(dá)技術(shù)都已實(shí)際被應(yīng)用在汽車上，藉以提升汽車駕駛的安全性，而眾多傳感器技術(shù)中，若能找到最可靠的感測(cè)技術(shù)，是不會(huì)受到光線明亮昏暗，或濃霧、下雨、下雪等天氣狀況，乃至于空氣污染、灰塵等環(huán)境狀況的影響。

　　3.車用傳感器在汽車上主要應(yīng)用

　　3.1剎車系統(tǒng)

　　基于汽車必須具有平穩(wěn)、安全駕駛的考量，以車輛剎車系統(tǒng)為例，針對(duì)汽車四個(gè)輪子的操控上，除了運(yùn)用大量位置、位移和壓力傳感器并普遍安裝了防爆沖死鎖剎車系統(tǒng)(Anti Lock Break System;ABS)外，包括國(guó)產(chǎn)車在內(nèi)，大都已增設(shè)電子剎車自動(dòng)分配系統(tǒng)(Electronic Braking-pressure Distribution;EBD)，可大幅提升陰雨氣候、雪等天氣路況不佳時(shí)駕駛的穩(wěn)定性。

　　目前，高檔車款進(jìn)一步加裝了緊急剎車輔助系統(tǒng)(Electronic Brake Assistance;EBA)，該系統(tǒng)在發(fā)生緊急情況時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)駕駛者踩剎車踏板時(shí)的速度和力度，并判斷緊急剎車的力度是否足夠，一旦需要就會(huì)自動(dòng)增大剎車力度及強(qiáng)化性能。

　　3.2開(kāi)車舒適、方便是駕駛者最大的駕車樂(lè)趣

　　許多高級(jí)及豪華車款的配備及設(shè)備都趨于人性化，不但彰顯其身份地位象征，另一方面也提高駕駛者駕駛安全性、舒適性及方便性。比方說(shuō)：搭配駕駛者駕駛習(xí)性、身高與體重，運(yùn)用位移傳感器與微閥控制，可以將座椅、后視鏡調(diào)整到駕駛者最舒適的狀態(tài)并加以紀(jì)錄，還能顧及到駕駛的最佳行車視野。

　　另外，還可運(yùn)用影像、距離、超聲波或激光傳感器，再經(jīng)由顯示、警示等設(shè)備告知路面車行信息，以利駕駛者降低盲區(qū)及視野死角，保持最佳車距及便于路邊停車控制及倒車動(dòng)作。

　　在乘坐舒適性方面，也可應(yīng)用溫度、濕度、風(fēng)量及日照等傳感器，可自動(dòng)控制空調(diào)系統(tǒng)，在車內(nèi)維持舒適恒溫系統(tǒng)，及運(yùn)用光度傳感器可使車燈亮度自動(dòng)控制，還能運(yùn)用雨滴及除霧傳感器可自動(dòng)控制前、后擋風(fēng)玻璃雨刷自動(dòng)運(yùn)作。

　　3.3自動(dòng)檢測(cè)、自我維護(hù) 時(shí)時(shí)確保安全氣囊可靠性

　　安全氣囊運(yùn)用微加速或微慣性傳感器來(lái)監(jiān)控及量測(cè)，它在關(guān)鍵時(shí)刻必須要能實(shí)時(shí)、正確地瞬間打開(kāi)，以維護(hù)乘客安全，但在極大多數(shù)時(shí)間內(nèi)氣囊是處在待命狀態(tài)，因此，安全氣囊的ECU 必須具有自動(dòng)檢測(cè)、自我維護(hù)能力，不斷確認(rèn)氣囊系統(tǒng)的可正常運(yùn)作的可靠性，確保氣囊在瞬間動(dòng)作時(shí)能達(dá)到保護(hù)駕駛員的效果。

　　3.4車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的智能監(jiān)控應(yīng)用

　　新的車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(on-board computer)能夠?qū)ζ噷?shí)施監(jiān)控，就像是飛機(jī)上的飛行記錄器一樣。在實(shí)際安裝后，系統(tǒng)內(nèi)配備的加速感應(yīng)器和回轉(zhuǎn)感應(yīng)器，可以監(jiān)控汽車的速度、安全帶的使用狀況及由于汽車急轉(zhuǎn)彎、緊急剎車、行駛不穩(wěn)定、異常減速和不安全倒車等原因造成的超重力行駛，只要汽車在不安全狀態(tài)下行駛，例如：出現(xiàn)超速駕駛、超重力行駛、沒(méi)扣安全帶等狀況，記錄器便會(huì)向駕駛者發(fā)出警示聲響，如果駕駛者對(duì)警示置之不理，則警報(bào)便會(huì)一直重復(fù)下去，直到進(jìn)入安全行駛狀態(tài)，可為駕駛者提供指導(dǎo)和預(yù)警等功能。

　　3.5促進(jìn)燃料系統(tǒng)達(dá)到省油、低污染及高效能

　　一般來(lái)說(shuō)，車用電子系統(tǒng)系是由各個(gè)電子控制單元所組成，不但具有自我操控能力，同時(shí)又有協(xié)調(diào)整合功能使車上各個(gè)子系統(tǒng)達(dá)到最佳工作效率。以燃料系統(tǒng)為例，為使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，從運(yùn)用流量傳感器量測(cè)吸入汽缸的空氣流量、壓力傳感器量測(cè)進(jìn)氣壓力開(kāi)始。

　　再根據(jù)水溫、空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)(運(yùn)用溫度傳感器)計(jì)算出基本噴油量，同時(shí)再通過(guò)節(jié)氣門位置傳感器檢測(cè)節(jié)氣門的開(kāi)度，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制，調(diào)整最佳噴油量，最后還需要通過(guò)曲軸的角速度傳感器監(jiān)測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，另運(yùn)用爆震感測(cè)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和燃燒噪聲等訊號(hào)，最終計(jì)算出并發(fā)出最佳點(diǎn)火時(shí)機(jī)的指令。

　　這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火綜合控制系統(tǒng)還可以結(jié)合氣體濃度傳感器來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)廢氣排放，并與起動(dòng)系統(tǒng)等組合，構(gòu)成可使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)馬力和扭力最佳化，而同時(shí)燃油消耗和廢氣排放最低化的智能型系統(tǒng)。

　　3.6自動(dòng)監(jiān)控、調(diào)整及回饋訊息的車用感測(cè)產(chǎn)品

　　車上各式各樣功能組件都有其操控性、運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)車用電子產(chǎn)品而言，絕大時(shí)期都處在復(fù)雜的行車環(huán)境中，而且各不相同。諸如工作狀態(tài)時(shí)的高溫，靜止待命時(shí)的低溫，高濃度的油蒸汽和活性(毒性)氣體，及高速運(yùn)動(dòng)和高強(qiáng)度的沖擊和振動(dòng)等。因此，車上的電子組件及電路必須兼具穩(wěn)定度、抗環(huán)境和自動(dòng)調(diào)整、監(jiān)控及回饋故障碼的能力。

　　4.毫米波雷達(dá)、夜視感測(cè)系統(tǒng)納入行駛安全行列

　　在汽車儀表板上多了一個(gè)在電影里?？吹降睦走_(dá)屏幕，后方不斷有小光點(diǎn)閃爍;其實(shí)不然，車上訊息顯示方式和避免提供駕駛員過(guò)多不重要的訊息，也是設(shè)計(jì)上的重點(diǎn)。

　　所謂“車用雷達(dá)技術(shù)”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將一種非常高頻無(wú)線電波發(fā)送出去，再透過(guò)接收由前方車輛等反射回來(lái)的射出毫米波，來(lái)檢測(cè)車間距離及車輛位置，再加上算法來(lái)提高了毫米波的接收靈敏度。

　　一旦偵測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有物體，自然也沒(méi)什么反射訊號(hào)，如果偵測(cè)范圍內(nèi)有物體，反射訊號(hào)很強(qiáng)，雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)量測(cè)其發(fā)送訊號(hào)到接收到反射訊號(hào)所需要的時(shí)間。物體越遠(yuǎn)的話，發(fā)射和接收差距時(shí)間越長(zhǎng)，用這種方式來(lái)計(jì)算物體的距離。

　　不過(guò)，以目前的成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，雖然是比過(guò)去幾年便宜許多，但是離車廠的期望值來(lái)說(shuō)仍舊有一段距離。根據(jù)車廠內(nèi)部人員表示，若毫米波雷達(dá)成本能下降，就會(huì)很容易普及，但這與目前的成本有相當(dāng)大的一段差距，難度也是非常高的。

　　為解決夜間視線不佳問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)會(huì)以紅外線作為輔助光源，不過(guò)，由于目前價(jià)格還比較高，使得目前的夜視系統(tǒng)多半只局限在某些高級(jí)車種上。汽車所使用的夜視系統(tǒng)，大多為近紅外線和遠(yuǎn)紅外線類型為主。

　　使用遠(yuǎn)紅外的特點(diǎn)是：當(dāng)遇到對(duì)向車輛的前照燈、信號(hào)燈及道路標(biāo)識(shí)發(fā)生反射等情況時(shí)也不會(huì)晃眼，及在對(duì)向車輛也配備有遠(yuǎn)紅外線夜視系統(tǒng)時(shí)也不會(huì)相互干擾。而與遠(yuǎn)紅外影像傳感器相比，近紅外線的夜視系統(tǒng)能夠以較低成本完成。

　　5.功能化、模塊化、智能化、微型化將是車用傳感器發(fā)展新途徑

　　現(xiàn)在幾乎所有車體上的機(jī)械結(jié)構(gòu)及組件都已受到電子設(shè)備掌控，但因?yàn)檐圀w內(nèi)可應(yīng)用空間過(guò)于狹隘，構(gòu)件系統(tǒng)空間更是受到限制。因此，在一般的理想狀況下，電子控制單元應(yīng)該會(huì)與受到控制組件緊密結(jié)合，而逐漸形成一個(gè)整體。因此，電路及組件的微型化、模塊化是必然趨勢(shì)，從工程的角度來(lái)看，將傳感器組件微型化有其優(yōu)點(diǎn)。

　　現(xiàn)代汽車上微機(jī)電技術(shù)發(fā)展的車用傳感器發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)朝多功能化、模塊化、智能化、微型化技術(shù)方向發(fā)展。

　　許多汽車廠商為了嚴(yán)格把關(guān)車上電子產(chǎn)品穩(wěn)定度及品質(zhì)，對(duì)其可靠度及信賴度要求極為嚴(yán)格;因此，諸多車用傳感器的重要關(guān)鍵主動(dòng)組件已有固定供貨商提供，包括：Freescale、Infineon、STM、Renesas、Toshiba、NEC等一級(jí)供應(yīng)鏈中的車用電子大廠。

　　若此時(shí)想切入該領(lǐng)域廠商，除必須要直接要面對(duì)到國(guó)際大廠競(jìng)爭(zhēng)壓力外，廠商還必須克服的挑戰(zhàn)，包括：數(shù)字與模擬技術(shù)整合、車規(guī)于溫度、濕度、耐震、產(chǎn)品生命周期等標(biāo)準(zhǔn)要求，還有上述廠商所把持的專利屏障等，不論是設(shè)備品質(zhì)或技術(shù)等問(wèn)題都邁入車用傳感器領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。