關於智慧感測器與汽車電子的分析
摘要：現代汽車電子從所應用的電子元器件到車內電子系統的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智慧感測器。
關鍵詞：智慧感測器
1 汽車電子操控和安全系統談起
近幾年來我國汽車工業增長迅速，發展勢頭很猛。因此評論界出現了一些專家的預測：汽車工業有可能超過IT產業，成為中國國民經濟最重要的支柱產業之一。其實，汽車工業的增長必將包含與汽車產業相關的IT 產業的增長。例如，雖然目前在我國一汽的產品中電子產品和技術的價值含量只佔10%—15%左右，但國外汽車中電子產品和技術的價值含量平均約為22%，中、高檔轎車中汽車電子已佔30%以上，而且這個比例還在不斷地快速增長，預期很快將達到50%。
電子資訊科技已經成為新一代汽車發展方向的主導因素，汽車（機動車）的動力效能、操控效能、安全效能和舒適性能等各個方面的改進和提高，都將依賴於機械系統及結構和電子產品、資訊科技間的完美結合。汽車工程界專家指出：電子技術的發展已使汽車產品的概念發生了深刻的變化。這也是最近電子資訊產業界對汽車電子空前關注的原因之一。但是，必須指出的是，除了一些車內音響、視訊裝備，車用通訊、導航系統，以及車載辦公系統、網路系統等車內電子裝置的本質改變較少外，現代汽車電子從所應用的電子元器件（包括感測器、執行器、微電路等）到車內電子系統的架構均已進入了一個有本質性提高的新階段。其中最有代表性的核心器件之一就是智慧感測器（智慧執行器、智慧變送器）。
實際上，汽車電子已經經歷了幾個發展階段：從分立電子元器件搭建的電路監測控制，經過了電子元器件或元件加微處理器構築的各自獨立的、專用的、半自動和自動的操控系統，現在已經進入了採用高速匯流排（目前至少有5種以上匯流排已開發使用），統一交換汽車執行中的各種電子裝備和系統的資料，實現綜合、智慧調控的新階段。新的汽車電子系統由各個電子控制單元（ECU）組成，可以獨立操控，同時又能協調到整體執行的最佳狀態。
還可以舉一個安全駕駛方面的例子，出於平穩、安全駕駛的需要，僅只針對四個輪子的操控上，除了應用大量壓力感測器並普遍安裝了剎車防抱死裝置（ABS）外，許多轎車，包括國產車，已增設了電子動力分配系統（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天氣駕駛時的穩定性。現在，國內外的一些汽車進一步加裝了緊急剎車輔助系統（EBA），該系統在發生緊急情況時，自動檢測駕駛者踩制動踏板時的速度和力度，並判斷緊急制動的力度是否足夠，如果需要，就會自動增大制動力。EBA的自控動作必須在極短時間（例如百萬分之一秒級）內完成。這個系統能使200km/h高速行駛車輛的制動滑行距離縮短極其寶貴的20多米。針對車輪的還有分別監測各個車輪相對於車速的轉速，進而為每個車輪平衡分配動力，保證在惡劣路面條件下各輪間具有良好的均衡抓地能力的“電子牽引力控制”（ETC）系統等。
從以上列舉的兩個例子可以清楚看到，汽車發展對汽車電子的一些基本要求：
1.1 電子操控系統的動作必須快速、正確、可靠。感測器（+調理電路）+微處理器，然後再通過微處理器（+功率放大電路）+執行器的技術途徑已經不再能滿足現代汽車的要求，需要通過硬體整合、直接交換資料和簡化電路，並提高智慧化程度來確保控制單元動作的正確性、可靠性和適時性。
1.2 現在幾乎所有的汽車的機械結構部件都已受電子裝置控制，但汽車車體內的空間有限，構件系統的空間更是極其有限。理想的情況當然是，電子控制單元應與受控制部件緊密結合，形成一個整體。因此器件和電路的微型化、整合化是不可迴避的道路。
1.3 電子控制單元必須具有足夠的智慧化程度。以安全氣囊為例，它在關鍵時刻必須要能及時、正確地瞬時開啟，但在極大多數時間內氣囊是處在待命狀態，因此安全氣囊的ECU 必須具有自檢、自維護能力，不斷確認氣囊系統的可正常運作的可靠性，確保動作的“萬無一失”。
1.4 汽車的各種功能部件都有各自的運動、操控特性，並且，對電子產品而言，大多處於非常惡劣的執行環境中，而且各不相同。諸如工作狀態時的高溫，靜止待命時的低溫，高濃度的油蒸汽和活性（毒性）氣體，以及高速運動和高強度的衝擊和振動等。因此，電子元器件和電路必須要有高穩定、抗環境和自適應、自補償調整的能力。
1.5 與上述要求同樣重要，甚至有時是關鍵性的條件是，汽車電子控制單元用的電子元器件、模組必須要能大規模工業生產，並能將成本降低到可接受的程度。一些微感測器和智慧感測器就是這方面的典範。例如智慧加速度感測器，它不僅能較好地滿足現代汽車的各項需要，而且因為可以在積體電路標準矽工藝線上批量生產，生產成本較低（幾美元至十幾或幾十美元），所以在汽車工業中找到了自己最大的應用市場，反過來也有力地促進了汽車工業的電子資訊化。
2 智慧感測器：微感測器與積體電路融合的新一代電子器件
微感測器、智慧感測器是近幾年才開始迅速發展起來的新興技術。在我國的報刊雜誌上目前所使用的技術名稱還比較含混，仍然籠統地稱之為感測器，或者含糊地歸納為汽車半導體器件，也有將智慧感測器（或智慧執行器、智慧變送器）與微系統、MEMS等都歸入了MEMS （微機電系統）名稱下的。這裡介紹當前一些歐美專著中常用的技術名詞的定義和技術內涵。
首先必須說明的是，在絕大多數情況下，本文大小標題及全文中所說的感測器其實是泛指了三大類器件：將非電學輸入參量轉換成電磁學訊號輸出的感測器；將電學訊號轉換成非電學參量輸出的執行器；以及既能用作感測器又能用作執行器，其中較多的是將一種電磁學參量形式轉變成另一種電磁學參量形態輸出的變送器。就是說，關於微感測器、智慧感測器的技術特性可以擴大類推到微執行器、微變送器-感測器（或執行器、或變送器）的物理尺度中至少有一個物理尺寸等於或小於亞毫米量級的。微感測器不是傳統感測器簡單的物理縮小的產物，而是基於半導體工藝技術的新一代器件：應用新的工作機制和物化效應，採用與標準半導體工藝相容的材料，用微細加工技術製備的。因此有時也稱為矽感測器。可以用類似的定義和技術特徵類推描述微執行器和微變送器。
它由兩塊晶片組成，一是具有自檢測能力的加速度計單元（微加速度感測器），另一塊則是微感測器與微處理器（MCU）間的介面電路和MCU。這是一種較早期（1996年前後）的，但已相當實用的器件，可用於汽車的自動制動和懸掛系統中，並且因微加速度計具有自檢能力，還可用於安全氣囊。從此例中可以清楚看到，微感測器的優勢不僅是體積的縮小，更在於能方便地與積體電路組合和規模生產。應該指出的是，採用這種兩片的解決方案可以縮短設計週期、降低開發前期小批量試產的成本。但對實際應用和市場來說，單晶片的解決方案顯然更可取，生產成本更低，應用價值更高。
智慧感測器（Smart Sensor）、智慧執行器和智慧變送器-微感測器（或微執行器，或微變送器）和它的部分或全部處理器件、處理電路整合在一個晶片上的器件（例如上述的微加速度計的單晶片解決方案）。因此智慧感測器具有一定的仿生能力，如模糊邏輯運算、主動鑑別環境，自動調整和補償適應環境的能力，自診斷、自維護等。顯然，出於規模生產和降低生產成本的要求，智慧感測器的設計思想、材料選擇和生產工藝必須要儘可能地和積體電路的標準矽平面工藝一致。可以在正常工藝流程的投片前，或流程中，或工藝完成後增加一些特殊需要的工序，但也不應太多。
在一個封裝中，把一隻微機械壓力感測器與模擬使用者介面、8位模-數轉換器（SAR）、微處理器（摩托羅拉69HC08）、儲存器和序列介面 （SPI）等整合在一個晶片上。其前端的矽壓力感測器是採用體矽微細加工技術製作的。製備矽壓力感測器的工序既可安排在整合 CMOS 電路工藝流程之前，亦可在後。這種智慧壓力感測器的技術和市場都已成熟，已廣泛用於汽車（機動車）所需的各式各樣的壓力測量和控制單元中，諸如各種氣壓計、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動裝置等。智慧壓力感測器的應用很廣，不侷限於汽車工業。目前，生產智慧壓力感測器的廠商已不少，市售商品的品種也很多，已經出現激烈的競爭。結果是智慧壓力感測器體積越來越小，隨之控制單元所需的外圍接外掛和分立元件越來越少，但功能和效能卻越來越強，而且生產成本降低很快。
順便需要說說的是，在一些中文資料中，尤其是一些產品宣傳性材料中，籠統地將Smart Sensor***或device***和Intelligent sensor（或device）都稱之為智慧感測器，但在歐美文獻中是有所差別的。西方專家和公眾通常認為，Smart（智慧型）感測器比Intelligent***知識型***的智慧層次和能力更高。當然，知識型的內涵也在不斷進化，但那些只能簡單響應環境變化，作一些相應補償、調整工作狀態的，特別是不需要整合處理器的器件，其知識等級太低，一般不應歸入智慧器件範疇。
相信大多數讀者能經常接觸到的，最貼近生活的智慧感測器可能要算是用於攝像頭、數碼相機、攝像機、手機攝像中的CCD影象感測器了。這是一種非智慧型感測器莫屬的情況，因為CCD 陣列中每個矽單元由光轉換成的電訊號極弱，必須直接和及時移位寄存、並處理轉換成標準的影象格式訊號。還有更復雜一些的，在中、高檔長焦距（IOX）光學放大數碼相機和攝像機上裝備的電子和光學防抖系統，特別是高階產品中的真正光學防抖系統。它的核心是雙軸向或3軸向的微加速度計或微陀螺儀，通過它監測機身的抖動，並換算成鏡頭的各軸向位移量，進而驅動鏡頭中可變角度透鏡的移動，使光學系統的折射光路保持穩定。
微系統（Microsystem）和MEMS（微機電系統）-由微感測器、微電子學電路（訊號處理、控制電路、通訊接品等）和微執行器構成一個三級級聯絡統、整合在一個晶片上的器件稱之為微系統。如果其中擁有機械聯動或機械執行機構等微機械部件的器械則稱之為MEMS。
MEMS晶片的左側給出的是製備MEMS晶片需要的基本工藝技術。它的右側則為主要應用領域列舉。很明顯，MEMS 的最好解決方案也是選用與矽工藝相容的材料及物理效應、設計理念和工藝流程，也即採用常規標準的CMOS 工藝與二維、三維微細加工技術相結合的方法，其中也包括微機械結構件的製作。
微感測器合乎邏輯的發展延伸是智慧感測器，智慧感測器自然延伸則是微系統和MEMS，MEMS 的進一步發展則是能夠自主接收、分辨外界訊號和指令，進而能獨立、正確動作的微機械（Micromachines）。現在，開發成功、並已有商業產品的MEMS品種已不少，涵蓋各大領域。其中包括全光光通訊和全光計算機的關鍵部件之一的二維、三維MEMS光開關。
通過控制晶片上的微反射鏡陣列，實現光輸入/輸出的交叉互聯。這是目前全光交換技術的成熟的最佳方案。市場上可買到的MEMS光開關已達1296路，開關轉換時間約為20ms。
微機械（也稱為奈米機械）則尚處於開發試驗階段，但已有許多很重要的實驗室產品湧現，如著名的奈米電機、微昆蟲、微直升機和潛水艇等。技術產業界普遍認為，它們的開發成功和投入實際應用將對工業技術和生活質量產生深遠的影響。
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