Les voitures modernes évoluent d'un simple moyen de transport vers la satisfaction des besoins humains et la sécurité, le confort, la commodité et la non - pollution. La clé pour atteindre ces objectifs réside dans l'électronique et l'intelligence des voitures, la condition préalable étant l'accès rapide à toutes sortes d'informations, ce qui nécessite nécessairement l'adoption massive de capteurs dans les voitures. Les capteurs traditionnels ont tendance à être volumineux et lourds, coûteux et leur application dans les voitures est très limitée.

Au cours des dernières années, la technologie mesm (microelectronmechnicalsystem) a évolué à partir de la technologie des circuits intégrés à semi - conducteurs. Les capteurs miniatures sont des dispositifs électromécaniques miniatures actuellement performants et pratiques, comprenant principalement des capteurs de pression miniatures et des capteurs d'accélération miniatures produisant une sortie de signal de télécommunication utilisant la déformation mécanique d'un diaphragme miniaturisé; En outre, il existe des capteurs de température miniatures, des capteurs de gaz, des capteurs de champ magnétique, etc., dont la surface est généralement inférieure à 1 mm2. La technologie des capteurs évoluera également des capteurs miniatures aux nanocapteurs à mesure que la technologie de traitement microélectronique, en particulier la technologie de nanotraitement, progressera. Ces capteurs miniatures sont de petite taille et permettent de nombreuses nouvelles fonctions, facilitant la production de gros volumes et de haute précision, avec un faible coût d'une seule pièce et la facilité de constituer des réseaux à grande échelle et polyvalents, des caractéristiques qui les rendent parfaits pour les applications dans l'automobile.

　　1, classification des capteurs pour l'automobile

Les capteurs pour l'automobile sont un terme collectif pour divers capteurs utilisés dans les systèmes d'affichage et de commande électrique des voitures. Il implique de nombreux capteurs de grandeurs physiques et chimiques. Ces capteurs permettent soit au conducteur de connaître l'état des différentes parties de la voiture; Soit pour contrôler l'état de chaque partie de la voiture. Le rôle sur la voiture peut être divisé en capteurs pour contrôler le moteur, contrôler le châssis et fournir diverses informations au conducteur, les matériaux qui composent ces capteurs sont des céramiques fines, des matériaux semi - conducteurs, des fibres de guide de lumière et des films polymères, etc.; Selon les caractéristiques de sortie, il existe des capteurs analogiques et des capteurs numériques; Selon le principe de composition, il existe des types structurels, ductiles et composites. Pour plus de commodité, il est maintenant classé par objet de commande pour les capteurs automobiles, comme indiqué dans le tableau 1.

　　2, application de capteurs miniatures dans les voitures

Il existe de nombreux types de capteurs utilisés dans les voitures et les aspects des applications sont vastes. Les applications des capteurs dans le contrôle des moteurs automobiles, les systèmes de sécurité, la surveillance des véhicules et l'auto - diagnostic sont décrites ci - dessous.

2.1 capteurs pour le contrôle du moteur automobile

Le contrôle électronique des moteurs a toujours été considéré comme l'un des principaux domaines d'application de la technologie MEMS dans l'automobile. Les capteurs pour le système de contrôle du moteur sont au cœur des capteurs de l'ensemble de la voiture, avec de nombreux types, y compris les capteurs de température, les capteurs de pression, les capteurs de position et de vitesse, les capteurs de débit, les capteurs de concentration de gaz et les capteurs de détonation, etc.: ces capteurs fournissent des informations sur l'état de fonctionnement du moteur à l'unité de contrôle électronique du moteur, qui peut contrôler l'état de fonctionnement du moteur pour améliorer la puissance du moteur, réduire la consommation de carburant, réduire les émissions de gaz d'échappement et effectuer la détection des pannes.

(1) Capteur de remplacement de température

Les capteurs de température pour l'automobile sont principalement utilisés pour détecter la température du moteur, la température du gaz aspiré, la température de l'eau de refroidissement, la température du carburant ainsi que la température catalytique, etc. Il existe 3 Principaux types de capteurs de température de type thermistance, résistance bobinée et résistance thermocouple. Ces 3 types de capteurs ont chacun des caractéristiques et leurs applications sont également légèrement orientées. Le capteur de température à thermistance a une sensibilité élevée et de meilleures caractéristiques de réponse, mais une mauvaise linéarité et une température d'adaptation plus basse. Parmi eux, la plage de mesure de la température du type universel est de - 50 ~ 30 ℃, la précision est de 1,5%, le temps de réponse est de 10 ms; le type à haute température est de 600 ~ 1000 CC, la précision est de 5%, le temps de réponse est de 10 MS; la précision du capteur de température résistif bobiné est élevée, mais les caractéristiques de réponse sont mauvaises; Les capteurs de température à résistance thermocouple ont une grande précision et une large plage de température de mesure, mais doivent être utilisés conjointement avec l'amplificateur et le traitement à froid. D'autres produits qui ont été utilisés sont les capteurs de température en Ferrite (plage de mesure de la température de - 40 ~ 120 ℃, précision de 2,0%), les capteurs de température d'air à membrane métallique ou semi - conductrice (plage de mesure de la température de - 40 ~ 150 ℃, précision de 2,0%, 5%, temps de réponse d'environ 20 MS), etc.

(2) Capteur de pression

Le capteur de pression est un capteur beaucoup plus utilisé dans les voitures et est principalement utilisé pour détecter la pression de remplissage du coussin gonflable, la pression du fluide du système de transmission, la pression du carburant injecté, la pression de l'huile moteur, la pression du conduit d'admission, la pression du fluide du système de filtration d'air, etc. Actuellement. Les principales entreprises dédiées au développement et à la production de capteurs de pression pour l'automobile sont Motorola, Deco Electronic Instruments, LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo， Siemens, Texas Instruments, etc.

Les capteurs de pression de voiture les plus couramment utilisés sont capacitifs, piézorésistifs, transformateurs différentiels, ondes acoustiques de surface. Le capteur de pression capacitif est principalement utilisé pour détecter la pression négative, hydraulique et barométrique, la plage de mesure est de 20 à 100 kPa, qui se caractérise par une énergie d'entrée élevée, de bonnes caractéristiques de réponse dynamique et une bonne adaptabilité environnementale; Les performances du capteur de pression piézorésistif sont fortement influencées par la température et nécessitent un circuit de compensation de température supplémentaire, mais adapté à la production en série; Le capteur de pression de type transformateur différentiel a une sortie plus grande, une sortie numérique facile, mais une mauvaise résistance aux interférences; Le capteur de pression à ondes acoustiques de surface est caractérisé par une petite taille, une masse légère, une faible consommation d'énergie, une fiabilité élevée, une sensibilité élevée, une résolution élevée, une sortie numérique, etc. pour la détection de pression de la soupape d'aspiration automobile, peut fonctionner de manière stable à haute température.

Le capteur de pression de pneu intelligent kps00 développé par la société allemande Infineon intègre un module de détection de pression et de température à l'intérieur, il n'a pas besoin d'ajouter un capteur d'accélération dans le module de capteur, peut s'allumer automatiquement dans l'auto - test au démarrage de la voiture, peut mesurer la pression, la température et la tension, etc. Toutes les fonctions sont intégrées sur un semi - conducteur bipolaire à oxyde métallique complémentaire (BiCMOS) de 0,8 µm utilisant la technologie de micro - usinage de surface. Un code d'identification de puce de 32 bits stocké dans une mémoire morte programmable électriquement effaçable dans chaque module de capteur. Le Code d'identification de la puce peut être lu par une interface série synchrone et peut également être utilisé pour identifier l'emplacement des capteurs de pression des pneus individuels. Lors de la réception des données, tout d'abord, pour vérifier le Code d'identification de la puce, si le Code d'identification de la puce est trouvé non conforme, la trame de données reçue est abandonnée.

(3) Capteur de débit

Les capteurs de débit sont principalement utilisés pour mesurer le débit d'air et le débit de carburant du moteur. La quantité d'air d'admission est l'un des paramètres fondamentaux du calcul de la quantité injectée de carburant. Fonction du capteur de débit d'air: détecte l'ampleur du débit d'air et le convertit en signaux électriques transmis à l'unité de commande électronique du moteur. La mesure du débit d'air est utilisée par le système de contrôle du moteur pour déterminer les conditions de combustion, contrôler le rapport air - carburant, le démarrage, l'allumage, etc. Le capteur de débit d'air a 4 types de type à ailettes tournantes, camen Scroll, type, type de film thermique et ainsi de suite. Principaux indicateurs techniques du capteur de débit d'air: plage de fonctionnement de 0,11 ~ 103m3 / min, température de fonctionnement de - 40 ~ 120 ℃, précision ≤ 1%. Le capteur de débit de carburant est utilisé pour détecter le débit de carburant, principalement avec des roues à eau et des boules de circulation, sa plage dynamique est de 0 à 60 kg / h, sa température de fonctionnement est de - 40 à 12 ℃, sa précision est de ± 1%, son temps de réponse est de 10 Ms.

La société affiliée de Honeywell, Microswitch, a fabriqué une puce de capteur de débit d'air à micro - pont à l'aide de la technologie de micro - usinage thermique, qui a utilisé la technologie de micro - usinage pour usiner des cavités sur une plaquette de silicium au - dessus de laquelle une résistance de platine est suspendue. Lorsque l'air circule à travers le dispositif, il se produit un transfert de chaleur du bas vers le haut dans le sens du flux d'air, de sorte que la résistance inférieure est refroidie et la résistance supérieure est chauffée, le débit d'air peut être mesuré par la variation de résistance du pont.

(4) Capteur de position et de vitesse de rotation

Le capteur de position du vilebrequin et de vitesse de rotation est principalement utilisé pour détecter l'angle de vilebrequin du moteur, le régime du moteur, l'ouverture de l'accélérateur, la vitesse du véhicule, etc., fournissant un signal de point de référence pour l'instant d'allumage et l'instant d'injection, et en même temps, un signal de régime du moteur. À l'heure actuelle, les capteurs de position et de vitesse de rotation utilisés par les voitures sont principalement de type Alternateur, magnétorésistif, à effet Hall, à commutation par puce, optique, à transistor magnétique à semi - conducteur, etc., sa plage de mesure est de 0 ° ~ 360 °, la précision est meilleure que ± 0,5 °, l'angle de courbure de mesure est de ± 0,1 °.

Il existe une grande variété de capteurs de vitesse, il existe des roues sensibles en rotation, des arbres de transmission de puissance sensibles en rotation et des arbres de transmission de différentiel sensibles en rotation. Lorsque la vitesse du véhicule est supérieure à 100 km / h, l'erreur de la méthode de mesure générale est grande, il est nécessaire d'utiliser un capteur de vitesse photoélectrique sans contact, la plage de mesure de vitesse est de 0,5 à 250 km / h, la précision de répétition est de 0,1%, l'erreur de mesure de distance est meilleure que 0,3%.

(5) Capteur de concentration de gaz

Les capteurs de concentration de gaz sont principalement utilisés pour détecter les émissions de gaz et de gaz d'échappement à l'intérieur de la carrosserie du véhicule. Parmi eux, le principal est le capteur d'oxygène, qui détecte la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de la voiture, détermine le rapport air - carburant en fonction de la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement, envoie un signal de rétroaction au dispositif de contrôle du micro - ordinateur pour contrôler la convergence du rapport air - carburant vers une valeur théorique. Les capteurs couramment utilisés sont le capteur d'oxyde de germanium (température d'utilisation de - 40 ~ 900 ℃, précision de 1%), le capteur de gaz à pile différentielle épaisse d'oxyde de chrome (température d'utilisation de 300 ~ 800 ℃), le capteur de gaz d'oxyde de chrome Gong électrolytique solide (température d'utilisation de 0 ~ 400 ℃, précision de 0,5%), ainsi que le capteur d'oxygène de dioxyde de titane et le capteur d'oxygène de dioxyde de zirconium Par rapport au capteur d'oxyde de germanium, le capteur d'oxygène au dioxyde de titane présente les caractéristiques d'une structure simple, légère, peu coûteuse et d'une forte résistance à la pollution au plomb: le capteur micro - ionique au dioxyde de zirconium est constitué d'un plasma de zircone stabilisé à l'oxyde de calcium, d'une électrode de travail à couche épaisse de platine poreuse, d'une électrode paramétrique à couche épaisse de palladium / oxyde de palladium, d'une couche imperméable, d'un contact d' Parmi eux, la zircone stabilisée à l'oxyde de calcium est précipitée par la méthode de pulvérisation réactive. L'électrode de travail et l'électrode de référence sont toutes deux fabriquées par un procédé à film épais. La tension de sortie au voisinage du point A / F idéal subit un brusque changement et la tension de sortie du capteur d'oxygène diminue lorsque le rapport air / carburant devient élevé et que la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement augmente; Lorsque le rapport air - carburant devient faible et que la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement diminue, la tension de sortie du capteur d'oxygène augmente. L'unité de commande électronique reconnaît ce signal de mutation, corrige la quantité d'huile injectée et ajuste ainsi le rapport air - carburant en conséquence, le faisant varier autour du rapport air - carburant idéal.

(6) Capteur de détonation

Les capteurs de détonation sont utilisés pour détecter les vibrations du moteur, contrôler et éviter les détonations du moteur en ajustant l'angle d'avance à l'allumage. Pour utiliser la puissance du moteur à grande échelle sans produire de déflagration, l'angle d'avance à l'allumage doit être réglé à la valeur critique générée par la déflagration, lorsque le moteur produit de la déflagration, le capteur convertit les secousses causées par la déflagration en signaux électriques qui sont transmis à l'unité de commande électronique. Il existe 3 méthodes pour détecter la pression du cylindre, les vibrations du corps du moteur et le bruit de combustion. Les capteurs de détonation sont disponibles en version magnétostrictive et piézoélectrique. La température d'utilisation du capteur de détonation magnétostrictif est de - 40 ~ 125 ℃, la gamme de fréquence est de 5 ~ 10 kHz; Capteur de détonation piézoélectrique à la fréquence centrale de 5417 kHz, sa sensibilité peut atteindre 200 MV / GN, à une amplitude de 0,1 ~ l0gn. Bonne linéarité dans la gamme.

(7) Capteur de position de l'accélérateur

Le capteur de position de l'accélérateur est monté sur l'accélérateur et sa fonction est de transformer le signal d'ouverture de l'accélérateur du moteur en un signal électrique qui est transmis à l'unité de commande électronique pour détecter l'ampleur de la charge du moteur et les conditions de fonctionnement de décélération. Un capteur de position de papillon à résistance variable est couramment utilisé. Ce capteur est un capteur d'accélérateur typique et se compose principalement d'un indexeur linéaire et d'un contact de ralenti en deux parties. Le variateur de résistance est réalisé avec une résistance en film céramique et le contact coulissant est commandé avec un ressort de rappel, tournant coaxialement à l'accélérateur. En fonctionnement, les contacts du transpondeur linéaire glissent sur le corps résistif et, en fonction de la valeur variable de la résistance, on peut mesurer un signal de tension de sortie linéaire directement proportionnel à l'ouverture du papillon. En fonction de la valeur de la tension de sortie, l'unité de commande électronique peut être informée de l'ouverture de l'accélérateur et du taux de variation de l'ouverture, ce qui permet de juger des conditions de fonctionnement du moteur et d'améliorer la précision et l'effet du contrôle. Le contact glissant de signal de ralenti est le contact normalement ouvert, seulement fermé quand l'accélérateur est complètement fermé, produisant le signal de contact de ralenti, principalement utilisé pour le contrôle de ralenti, le contrôle d'huile d'arrêt et la correction de l'angle d'avance d'allumage.

2.2 capteurs pour les systèmes de sécurité

La sécurité est le premier facteur pris en compte dans les voitures, et les capteurs utilisés pour les aspects de sécurité sont également nombreux, tels que les mini - accéléromètres pour les airbags automobiles, les gyroscopes micromécaniques de surface pour la goniométrie, etc.

(1) Capteur de micro - Accélération

Les airbags sont et seront également une application majeure pour la naissance de memsj. L'accéléromètre au silicium utilisé a généralement une portée de 50 GN. Des capteurs d'accélération au silicium plus anciens tels que ceux fabriqués par Motorola avec la technologie de micro - usinage de corps.

Henrik et al., Suède, ont rapporté un nouvel accéléromètre triaxial à micro - silicium dont les paramètres de structure de profil sont de 6 mm x 4 mm x l,4 mm, qui comporte 4 masses sensibles, 4 électrodes de lecture de signal indépendantes et 4 électrodes de référence. Il exploite habilement les caractéristiques structurelles d'une poutre sensible qui a une très faible rigidité dans le sens de son épaisseur et qui peut être sensible aux accélérations, et une rigidité relativement importante dans les autres directions sans pouvoir être sensible aux accélérations. Dans la section transversale de l'accéléromètre, la direction de l'épaisseur de la poutre sensible est de 35,26° (Tan 35,26° = 0707) par rapport à la direction normale à l'accéléromètre (axe Z) en raison de la corrosion anisotrope.

(2) Surface Micro - mécanique gyroscope

Les gyroscopes traditionnels sont constitués d'un Rotor tournant à grande vitesse, d'un anneau intérieur, d'un anneau extérieur et d'une base, les anneaux intérieurs et extérieurs de ces gyroscopes sont généralement supportés par des roulements à billes, ceux - ci sont généralement fabriqués par des méthodes d'usinage, nécessitant une précision d'usinage élevée, une grande difficulté et, en outre, un gyroscope fabriqué avec un volume et une masse importants. Les gyroscopes micromécaniques sont des dispositifs MEMS avec des circuits complexes de détection et de contrôle. Saidemrealper et al. ont rapporté un gyroscope micromécanique de surface structurellement symétrique et possédant des propriétés de découplage. Cette structure sensible est pourvue d'un « ancrage » porteur aux 4 coins de son bord extérieur et, contrairement à la réalisation traditionnelle d'un appui direct sur un « ancrage », elle utilise une masse sensible structurale symétrique prenant appui sur une poutre de liaison et reliant organiquement les électrodes motrices et les électrodes sensibles par l'intermédiaire de la poutre. Après l'analyse de la simulation avec le logiciel de simulation de micro - dispositif (memcad), il est connu que les vibrations dans les deux directions n'affectent pas l'autre, de sorte qu'un tel mode de connexion ne prend pas en compte le couplage mécanique.

Le paramètre structurel du profil hors plan de ce gyroscope micromécanique est de 1 mm 2 et l'épaisseur de seulement 2 / µm. Le principe de fonctionnement est le suivant: lorsqu'une tension de polarisation continue est appliquée sur la masse sensible et qu'une tension d'excitation alternative appropriée est appliquée entre le doigt de fourche mobile et le doigt de fourche fixe, la masse sensible créera des vibrations intrinsèques dans la direction de l'axe Y. Lorsque le gyroscope perçoit une vitesse angulaire autour de l'axe Z, la masse sensible va générer des vibrations supplémentaires le long de l'axe X en raison de l'effet Kohl. La vitesse angulaire mesurée peut être obtenue en mesurant l'amplitude de vibration de la vibration supplémentaire. Dans le cas atmosphérique classique, ce résultat sensible a une résolution due à 0,37° / S.

2.3 capteurs pour la surveillance et l'autodiagnostic des véhicules

En ce qui concerne la surveillance des véhicules et l'auto - diagnostic, une application majeure de la technologie MEMS sera la surveillance de la pression des pneus; Deuxièmement, les capteurs appliqués aux systèmes de refroidissement, de freinage, etc. En outre, il existe des capteurs de lumière tels que ceux utilisés dans les systèmes de contrôle de la luminosité; L'utilisation de capteurs magnétiques, de capteurs de vitesse de flux d'air dans le système de conduite électronique; Utilisation de capteurs de température intérieure, de capteurs de température d'aspiration, de capteurs de volume d'air, de capteurs d'ensoleillement, de capteurs d'humidité dans le système de climatisation automatique; Utilisation de capteurs d'azimut, de capteurs de vitesse de véhicule, etc. dans le système de conduite guidée.

2.4 applications de la microélectronique à haute température dans l'automobile

La microélectronique haute température joue un rôle très important dans la surveillance du contrôle du moteur automobile, des cylindres et des tuyaux d'échappement, de la suspension et des freins électroniques, de la gestion et de la distribution de la puissance. Par exemple: les capteurs et contrôleurs microélectroniques haute température pour le contrôle du moteur contribueront à une meilleure surveillance et à un meilleur contrôle de la combustion, ce qui rendra la combustion plus * et améliorera l'efficacité de la combustion. Mais les dispositifs microélectroniques réalisés avec la technologie traditionnelle des semi - conducteurs au silicium ne sont plus compétents car ils ne fonctionnent pas à des températures élevées. Pour résoudre le problème de la mesure de la température dans des environnements à haute température, un nouveau matériau doit être développé pour remplacer les matériaux semi - conducteurs traditionnels. La troisième génération de matériaux semi - conducteurs à large bande d'énergie SiC présente une série d'avantages tels que le champ électrique de claquage élevé, la vitesse de dérive des électrons saturés élevée, la conductivité thermique élevée et la résistance à l'irradiation élevée, particulièrement adaptée à la fabrication de dispositifs semi - conducteurs à haute température, haute tension, haute puissance et résistance à l'irradiation. Le capteur SiC intégré peut être en contact direct avec le réservoir à haute température et le tuyau d'échappement, ce qui permet d'obtenir davantage d'informations sur l'efficacité de la combustion du carburant et la réduction des émissions d'échappement. La recherche montre qu'une fois que la technologie de semi - conducteur de SiC peut résoudre de bons matériaux, l'encapsulation et d'autres technologies pour le développement ultérieur, la gamme de fonctionnement des dispositifs de puissance de SiC dépassera celle des dispositifs de puissance de silicium traditionnels et, en outre, son volume sera inférieur à celui des dispositifs de puissance de si.

　　3, mot de fin

En raison du rôle important des capteurs automobiles dans les systèmes de contrôle électroniques automobiles et de la demande croissante du marché, les pays du monde entier attachent une grande importance à leur recherche théorique, à l'application de nouveaux matériaux et au développement de nouveaux produits. La technologie des capteurs pour l'automobile du futur, la tendance générale est la miniaturisation, la polyvalence, l'intégration et l'intelligence.

Avantages des capteurs miniatures basés sur la technologie MEMS pour réduire les coûts et améliorer les performances des systèmes électroniques automobiles, ils ont commencé à remplacer progressivement les capteurs basés sur la technologie électromécanique traditionnelle. Avec les progrès de la nanotechnologie, des capteurs miniatures plus petits, moins coûteux et plus puissants seront largement utilisés dans tous les aspects de l'automobile. Au cours des prochaines années, des applications telles que la gestion du fonctionnement du moteur, le contrôle des gaz d'échappement et de la qualité de l'air, les systèmes antiblocage des freins, le contrôle de la dynamique du véhicule, la navigation adaptative, les systèmes de sécurité de la conduite du véhicule, etc., fourniront un vaste marché pour la technologie MEMS.