현대 자동차는 단순한 교통수단에서 인류의 수요와 안전, 편안함, 편리함과 오염이 없는 방향으로 발전하고 있다.이러한 목표를 실현하는 관건은 자동차의 전자화와 지능화에 있으며, 선결 조건은 각종 정보의 적시 획득이며, 이는 반드시 자동차에 각종 센서를 대량으로 채용해야 한다.전통적인 센서는 종종 부피와 무게가 크고 비용이 많이 들기 때문에 자동차에서의 응용에 큰 제한을 받는다.

최근 몇 년 동안 반도체 집적회로 (IC) 기술에서 발전한 마이크로 전기 시스템 (microelectronmechnicalsystem, MESM) 기술은 나날이 성숙해지고 있다.마이크로센서는 현재 성공을 위해 실용성을 갖춘 마이크로 전기 기계부품으로, 주로 마이크로 필름의 기계적 형태 변화를 이용하여 전신 신호 출력을 발생시키는 마이크로 압력센서와 마이크로 가속도 센서를 포함한다;이밖에 또 소형온도센서, 자기장진간기, 기체센서 등이 있는데 이런 소형센서의 면적은 대부분 1mm2 이하이다.마이크로 전자 가공 기술, 특히 나노 가공 기술이 더욱 발전함에 따라 센서 기술은 마이크로 센서에서 나노 센서로 진화 할 것입니다.이러한 마이크로 센서는 부피가 작아서 많은 새로운 기능을 실현할 수 있고, 대량의 양과 고정밀 생산에 편리하며, 단일 부품의 원가가 낮고, 대규모와 다기능 어레이를 구성하기 쉬우며, 이러한 특징은 그것들을 자동차 방면의 응용에 매우 적합하게 한다.

　　1. 자동차용 센서 분류

자동차용 센서는 자동차 디스플레이와 전기 제어 시스템에 사용되는 각종 센서의 통칭이다.그것은 많은 물리량 센서와 화학량 센서와 관련된다.이 센서들은 운전자에게 자동차의 각 부분의 상태를 이해시키거나아니면 자동차의 각 부분의 상태를 제어하는 데 쓰인다.자동차에서의 역할에 따라 제어 엔진, 제어 섀시 및 운전자에게 각종 정보용 센서로 나눌 수 있는데, 이러한 센서를 구성하는 재료는 정밀 세라믹, 반도체 재료, 광전도 섬유 및 고분자 박막 등이 있다;출력 특성에 따라 아날로그형 센서와 디지털형 센서가 나뉜다.구성 원리에 따라 구조형, 인성형, 복합형이 있다.편의를 위해 표 1과 같이 자동차 센서의 제어 대상에 따라 분류합니다.

　　2. 마이크로센서의 자동차에서의 응용

자동차에 사용되는 센서의 종류가 매우 많아 응용하는 방면이 매우 넓다.자동차 엔진 제어, 안전 시스템, 차량 모니터링 및 자가 진단 등에 대한 센서의 적용을 소개합니다.

2.1 자동차 엔진 제어용 센서

엔진의 전자 제어는 자동차에서 MEMS 기술의 주요 응용 분야 중 하나로 여겨져 왔다.엔진 제어 시스템용 센서는 전체 자동차 센서의 핵심이며, 온도 센서, 압력 센서, 위치 및 회전 속도 센서, 유량 센서, 가스 농도 센서 및 충격 센서 등을 포함하여 종류가 매우 많다: 이러한 센서는 엔진의 전자 제어 장치에 엔진의 작동 상태 정보를 제공하고, 전자 제어 장치가 엔진의 작동 상태를 제어하여 엔진의 동력 향상, 연비 감소, 배기가스 배출 감소 및 고장 감지를 수행합니다.

(1) 온도 교체 센서

자동차용 온도센서는 엔진 온도, 흡입 가스 온도, 냉각수 온도, 연료 온도 및 촉매 온도 등을 측정하는 데 주로 사용된다.온도센서는 열민감저항식, 선회전저항식, 열쌍저항식 등 3가지 주요류형이 있다.이 세 가지 유형의 센서는 각각 특징이 있으며, 그 응용 장소도 약간 구별된다.열 민감 저항식 온도 센서는 민감도가 높고 응답 특성이 비교적 좋으나 선형이 낮고 적응 온도가 비교적 낮다.그중 통용형의 온도측정범위는 50~30 ℃ 이고 정밀도는 1.5% 이며 응답시간은 10ms이다. 고온형은 600~1000cC이고 정밀도는 5% 이며 응답시간은 10ms이다. 선회전저항식온도센서의 정밀도는 높지만 응답특성은 떨어진다.열 짝 저항식 온도 센서는 정밀도가 높고 온도 측정 범위가 넓지만 증폭기와 냉단 처리와 함께 사용해야 한다.기타 이미 실용화된 제품은 페로브스카이트식 온도센서 (온도측정범위는 -40~120℃, 정밀도는 2.0%), 금속 또는 반도체막 공기온도센서 (온도측정범위는 -40~150℃, 정밀도는 2.0%, 5%, 응답시간은 약 20ms) 등이다.

(2) 압력 센서

압력센서는 자동차에서 많이 사용되는 센서로, 주로 에어백 가스 저장 압력, 전동 시스템 유체 압력, 주입 연료 압력, 엔진 오일 압력, 흡기 파이프 압력, 공기 여과 시스템의 유체 압력 등을 측정하는 데 사용된다.현재.자동차용 압력센서 개발과 생산에 주력하는 주요 회사는 모토로라, 데코전자기기,LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，지멘스, 텍사스 인스트루먼트 등.

비교적 자주 사용하는 자동차 압력 센서에는 커패시터식, 압력저항식, 차동변압기식, 음표면파식이 있다.커패시터식 압력센서는 주로 음압, 유압, 기압을 측정하는데 사용되며 측정범위는 20~100kPa이며 입력에너지가 높고 동적응답특성이 좋으며 환경적응성이 좋은 것이 특징이다.압력저항식 압력센서의 성능은 온도의 영향을 비교적 많이 받아 온도보상회로를 따로 설치해야 하지만 대량생산에 적응해야 한다;차동 변압기식 압력 센서는 비교적 큰 출력을 가지고 있어 디지털 출력은 쉽지만 방해성은 떨어진다;음표면파식압력센서는 부피가 작고 품질이 가볍으며 전력소모가 낮고 신뢰성이 높으며 민감도가 높고 해상도가 높으며 디지털출력 등 특징을 갖고있어 자동차흡기밸브압력검측에 사용되며 고온에서 안정적으로 작업할수 있다.

독일 인피니온사가 개발한 스마트 타이어 압력센서 KPS00은 내부에 압력과 온도 감지 모듈을 통합해 센서 모듈에 가속도 센서를 추가할 필요 없이 자동차 시동 시 자동으로 전원을 켜고 자체 검사에 들어가 압력, 온도, 전압 등을 측정할 수 있다.모든 기능은 표면 미세 기계 가공 기술을 이용해 0.8μm의 양극 상호보완 금속산화물 반도체(BiCMOS)에 통합된다.각 센서 모듈의 전기는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리에 저장된 32비트 칩 식별 코드를 지울 수 있습니다.칩 식별 코드는 동기식 직렬 인터페이스에서 읽을 수 있으며 각 타이어 압력 센서의 위치를 식별하는 데 사용할 수 있습니다.데이터를 받을 때는 우선 칩 식별코드를 검사하고 칩 식별코드가 맞지 않는 것을 발견하면 받은 데이터 프레임을 포기한다.

(3) 유량 센서

유량 센서는 주로 엔진의 공기 유량과 연료 유량 측정에 사용된다.공기 흡입량은 연료 분사량 계산의 기본 매개 변수 중의 하나다.공기 흐름 센서의 기능: 공기 흐름의 크기를 감지하고 전기 신호로 엔진에 전송되는 전자 제어 장치로 변환합니다.공기 유량의 측정은 엔진 제어 시스템이 연소 조건을 확정하고 공연비 제어, 시동, 점화 등에 사용된다.공기흐름센서는 회전날개식, 카르멘와선식, 식, 열막식 등 4가지 유형이다.공기 유량 센서의 주요 기술 지표: 작업 범위는 0.11~103m3/min, 작업 온도는 -40~120 ℃, 정밀도 ≤ 1% 이다.연료 유량 센서는 연료 유량을 측정하는 데 사용되며, 주로 수륜식과 순환구식이 있으며, 그 동적 범위는 0~60kg/h, 작업 온도는 -40~12 ℃, 정밀도는 ±1%, 응답 시간은 #lt; 10ms이다.

Honeywell의 산하 마이크로스위치 (microswitch) 회사는 열미세가공기술로 마이크로브릿지식 공기류량센서칩을 제작했는데 이는 미세가공기술로 규소원판에 공강을 가공하고 백금저항이 공강에 걸려있다.공기가 부품을 흐를 때 공기의 흐름방향 아래에서 위쪽으로의 열전송이 발생하여 아래쪽의 저항이 냉각되고 위쪽의 저항이 가열되여 전기다리의 저항변화로 공기류량을 측정할수 있다.

(4) 위치 및 회전 속도 센서

크랭크축 위치와 회전 속도 센서는 주로 엔진 크랭크축 회전각, 엔진 회전 속도, 절기 게이트의 개도, 차량 속도 등을 측정하는 데 사용되며, 점화 시간과 분유 시간에 참고점 신호를 제공하며, 동시에 엔진 회전 속도 신호를 제공한다.현재 자동차가 사용하는 위치와 회전 속도 센서는 주로 교류 발전기식, 자기 저항식, 홀 효과식, 슬라이스 스위치식, 광학식, 반도체 자성 트랜지스터식 등이 있는데, 그 측정 범위는 0 ° ~360 ° 이며, 정밀도는 ± 0.5 ° 보다 우수하고, 굴곡각 측정은 ± 0.1 ° 에 달한다.

차속 센서의 종류는 매우 많은데, 민감한 바퀴가 회전하는 것도 있고, 민감한 동력 전동축이 회전하는 것도 있으며, 민감한 차속이 동축에서 회전하는 것도 있다.차의 속도가 100km/h보다 높을 때, 일반적인 측정 방법의 오차가 비교적 크므로, 비접촉식 광전 속도 센서를 사용해야 하며, 속도 측정 범위는 0.5~250km/h, 중복 정밀도는 0.1%, 거리 측정 오차는 0.3% 보다 우수하다.

(5) 가스 농도 센서

가스 농도 센서는 주로 차량 내 가스와 배기가스 배출을 측정하는 데 사용된다.그중 주요한것은 산소센서로서 자동차배기가스중의 산소함량을 검측하고 배기가스중의 산소농도에 따라 공연비를 측정하여 마이크로컴퓨터제어장치에 피드백신호를 보내 공연비가 리론값에서 수렴되도록 통제한다.일반적으로 사용되는 유산화 게르마늄 센서 (사용 온도 -40~900 ℃, 정밀도 1%), 산화 크롬 농차 전지형 가스 센서 (사용 온도 300~800 ℃), 고체 전해 공식 산화 크롬 가스 센서 (사용 온도 0~400 ℃. 정밀도 0.5%), 이산화 티타늄 산소 센서 및 이산화 지르코늄 산소 센서도 있다.산화 게르마늄 센서에 비해 이산화 티타늄 산소 센서는 구조가 간단하고 가볍고 저렴하며 납 오염에 강한 특징을 가지고 있다: 이산화 지르코늄 마이크로 이온 센서는 산화 칼슘 안정 지르코늄 이온체, 다공 백금 두꺼운 막 작업 전극, 팔라듐/산화 팔라듐 두꺼운 막 파라미터 전극, 비투수층, 전극 접촉 및 보호층으로 구성된다.그중 산화칼슘은 산화지르코늄을 안정시켜 반응사출법에 의해 축적된다.작업 전극과 참고 전극은 모두 두꺼운 막 공예로 제작된다.이상적인 A/F점 부근의 출력 전압에 급변이 발생하여 공연비가 높아지고 폐기 중의 산소 농도가 증가할 때 산소 센서의 출력 전압이 감소한다;공연비가 낮아지고 페기중의 산소농도가 낮아지면 산소센서의 출력전압이 증대된다.전자 제어 단위는 이 돌연변이 신호를 식별하여 분유량을 수정함으로써 그에 상응하여 공연비를 조절하여 이상적인 공연비 부근에서 변동시킨다.

(6) 충격 센서

폭진 센서는 엔진의 진동을 감지하고 점화 사전 각도를 조정하여 제어하고 엔진에 폭진이 발생하지 않도록 하는 데 사용된다.발동기의 출력을 최대한 발휘하여 폭발이 일어나지 않도록 하기 위하여 점화사전각은 폭발로 인한 임계값을 통제해야 하며 발동기가 폭발할 때 센서는 폭발로 인한 진동을 전신호로 전환시키고 전자제어단위에 전달해야 한다.폭진 감지는 실린더 압력, 엔진 기체 진동과 연소 소음 감지 등 3가지 방법이 있다.폭진 센서에는 자기 신축식과 압전식이 있다.자기 신축식 폭진 센서의 사용 온도는 -40~125 ℃, 주파수 범위는 5~10kHz;압전식 폭진 센서는 중심 주파수 5.417kHz에서 감도가 200mV/gn에 달하고 진폭은 0.1~l0gn이다.범위 내에 양호한 선형도가 있다.

(7) 절기문 위치 센서

절기문 위치 센서는 절기문에 장착되며, 엔진 절기문의 개도 신호를 전기 신호로 변환하여 전자 제어 시트에 전달하여 엔진의 부하 크기와 가감속 작업 상황을 감지하는 기능을 한다.가변 저항식 절기문 위치 센서를 많이 사용합니다.이 센서는 전형적인 절기문 센서로 주로 선형 변위기와 태속 촉점 두 부분으로 구성되어 있다.저항 변위기는 세라믹 필름 저항으로 제작되며, 슬라이딩 접점은 리셋 스프링으로 제어되어 절기문과 동축으로 회전한다.작업할 때 선형변위기의 접점이 저항체에서 미끄러져 변화하는 저항값에 따라 절기문의 개도와 정비례하는 선형출력전압신호를 측정할수 있다.출력 전압값에 근거하여 전자제어단위는 절기문의 개도와 개도 변화율을 알 수 있어 엔진의 운행 상황을 판단하고 제어 정밀도와 효과를 높일 수 있다.태속 신호 슬라이딩 접점은 항상 열리는 접점으로, 절기문이 완전히 닫힐 때만 닫혀 태속 접점 신호가 발생하며, 주로 태속 제어, 단유 제어 및 점화 사전 각도의 수정에 사용된다.

2.2 보안 시스템용 센서

안전은 자동차가 가장 먼저 고려하는 요소이며, 자동차 에어백에 사용되는 마이크로 가속도계, 각속도를 측정하는 표면 마이크로 기계 팽이 등 안전에 사용되는 센서도 많다.

(1) 마이크로 가속도 센서

에어백은 현재뿐만 아니라 앞으로도 MEMSj 출생의 주요 응용이다.사용된 실리콘 가속도계의 양정은 일반적으로 50gn이다. 모토로라사의 체미세 가공 기술로 제작된 실리콘 가속도 센서와 같은 비교적 오래된 것이다.

스웨덴 Henrik 등은 외형 구조 매개변수가 6mm × 4mm × l.4mm인 신형 실리콘 마이크로 3축 가속도계를 보도했는데, 4개의 민감한 품질 블록, 4개의 독립된 신호가 전극과 4개의 참조 전극을 읽는다.이는 민감한 빔이 두께 방향에서 매우 작은 강도를 가지고 있어 가속도를 민감하게 할 수 있고, 다른 방향에서는 강도가 상대적으로 커서 가속도를 민감하게 할 수 없는 구조적 특징을 교묘하게 이용했다.가속도계의 횡단면에서 각 방향의 이성이 부식된 결과 민감한 빔의 두께 방향은 가속도계의 법선 방향(z축)과 35.26°(tan35.26°=0.707)가 된다.

(2) 표면 마이크로 기계 팽이

전통적인 자이로스코프는 고속으로 회전하는 로터, 내환, 외환과 받침대로 구성되는데 이런 자이로스코프의 내외환은 일반적으로 볼베어링으로 지탱하는데 이런 것들은 일반적으로 기계가공방법으로 만들어지며 가공정밀도가 높고 난이도가 높으며 게다가 만든 자이로스코프는 부피가 크고 품질이 무겁다.마이크로 기계 팽이는 복잡한 감지 및 제어 회로를 가진 MEMS 장치입니다.SaidEmreAlper 등은 구조가 대칭적이고 디커플링 특성을 가진 표면 마이크로 기계 팽이를 보도했다.이 민감한 구조는 그 바깥쪽의 4개 모서리에 모두 지지"앵커"를 설치하여 전통적인 직접지지가"앵커"에 실현되는 방식과 달리 일종의 대칭구조의 민감한 질량블록을 리용하여 련결빔에 지지하고 빔을 통해 구동전극과 민감한 전극을 유기적으로 련결시킨다.마이크로 부품 시뮬레이션 패키지 (MEMCAD) 시뮬레이션 분석을 통해 알 수 있듯이 두 방향의 진동은 서로 영향을 주지 않기 때문에 이러한 연결 방식은 기계적 결합을 고려할 필요가 없다.

이 마이크로 기계 팽이의 평면 바깥쪽 윤곽의 구조 매개변수는 1mm2이고 두께는 2/μm에 불과하다.민감한 품질 블록에 직류 편향 전압을 가하고 활성 포크와 고정 포크 사이에 적절한 교류 격려 전압을 가하면 민감한 품질 블록이 Y축 방향에서 고유 진동을 일으키는 것이 작동 원리이다.팽이가 Z축을 도는 각속도를 느낄 때 콕스 효과로 인해 민감한 질량 블록은 X축을 따라 추가 진동을 일으킨다.추가 진동의 진동폭을 측정하면 측정된 각속도를 얻을 수 있다.일반적인 대기 상황에서 이 민감한 결과는 0.37 ° /s에 의한 해상도를 가지고 있습니다.

2.3 차량 모니터링 및 자가진단용 센서

차량 모니터링과 자체 진단 방면에서 MEMS 기술의 주요 응용 중 하나는 타이어 압력 모니터링이 될 것이다;그 다음은 냉각, 브레이크 등 시스템에 적용되는 센서다.또한 밝기 제어 시스템에서 광 센서를 사용하는 것과 같습니다.전자 운전 시스템에 자기 센서, 기류 속도 센서를 사용한다;자동 에어컨 시스템에 실내 온도 센서, 흡기 온도 센서, 풍량 센서, 일조 센서, 습도 센서를 사용한다;주행 안내 시스템에는 방위 센서, 차량 속도 센서 등을 사용한다.

2.4 고온 마이크로전자의 자동차에서의 응용

고온 마이크로전자는 자동차 엔진 제어, 실린더와 배기관, 전자 서스펜션과 브레이크, 동력 관리 및 분배 등 방면의 모니터링에서 매우 중요한 역할을 한다.예를 들어, 엔진 제어를 위한 고온 마이크로 전자 센서와 컨트롤러는 연소를 더 잘 모니터링하고 제어하는 데 도움이 될 것이며, 연소를 더 * 하고 연소 효율을 높일 것이다.그러나 전통적인 실리콘 반도체 기술로 제작된 마이크로전자 부품은 높은 온도에서 작동하지 않아 더는 감당할 수 없게 됐다.고온 환경에서 온도 측정 문제를 해결하기 위해서는 전통적인 반도체 재료를 대체하는 새로운 재료를 개발해야 한다.3세대 와이드 밴드 반도체 소재인 SiC는 고격파 전장, 고포화 전자 표류 속도, 고열 전도율 및 투사 방지 능력이 강한 등 일련의 장점을 가지고 있어 고온, 고압, 고출력, 투사 방지 등 반도체 부품을 제작하기에 특히 적합하다.통합된 SiC 센서는 고온 연료 탱크 및 배기구와 직접 접촉할 수 있어 연료 연소 효율과 배기가스 배출 감소에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있다.연구에 따르면 일단 SiC 반도체 기술이 재료, 패키징 등의 기술을 잘 해결하여 진일보한 발전을 이룰 수 있다면, SiC 출력 부품의 작업 범위는 전통적인 실리콘 출력 부품을 능가할 것이며, 그 부피는 Si 출력 부품보다 작을 것이다.

　　3. 끝말

자동차 전자 제어 시스템에서 자동차 센서의 중요한 역할과 빠르게 성장하는 시장 수요 때문에 세계 각국은 그 이론 연구, 신소재 응용과 신제품 개발에 대해 매우 중시한다.미래의 자동차용 센서 기술의 전반적인 발전 추세는 마이크로화, 다기능화, 집적화 및 지능화이다.

MEMS 기술을 기반으로 한 마이크로 센서는 자동차 전자 시스템의 비용을 절감하고 성능을 향상시키는 데 장점이 있으며, 전통적인 전기 기계 기술을 기반으로 한 센서를 점차 대체하기 시작했다.나노기술의 진보에 따라 부피가 더욱 작고 건설비가 더욱 낮으며 기능이 더욱 강한 미니센서는 자동차의 각 방면에 널리 응용될것이다.앞으로 몇 년 내에 엔진 운행 관리, 배기가스 및 공기 질 제어, 브레이크 포옹 방지 시스템, 차량 동력학 제어, 적응 네비게이션, 차량 주행 안전 시스템을 포함한 응용은 MEMS 기술에 광활한 시장을 제공할 것이다.