车用传感器发展探讨

一般使用在车上的传感器是以行车计算机系统作为输入装置，它将汽车运行中各种工作状况信息，包括：车速、车况及各种介质的温度、发动机运转工作状况及路面信息等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态、排放废气污染为最小，及车身稳定控制使行车最安全，是汽车电子控制系统的关键组件，也是汽车电子技术领域研究主要核心。

　　1.车用传感器发展的主要因素--安全与舒适

　　根据市场调研公司BCC研究报告指出，2005年全球车用传感器产值为105亿美元，预计到2010年将提高至142亿美元，年平均成长率为6.1%。最早车上传感器主要是用在引擎或是驱动系统等行驶状态监测，主要有氧气、流体、温度、地压与电流等传感器。

　　随着汽车市场对于驾驶安全、舒适性及操控性等要求持续提升，对分散在负责安全、舒适与环保等各个车用次系统的要求也越来越高，以提升安全功能的各式传感器，占了整体传感器数量的50%以上，年平均增长率最高，达到了13.7%，因此从汽车安全角度来看，传感器应用是极为关键性的电子组件。

　　其次便是车用动力传感器，包括，速度与氧气传感器增长率为6.7%、压力与加速度传感器为5.7%、空气流量、温度与其它传感器增长率约为4.6%，年增长率约为6.2%;在所有传感器组件中，则以速度与氧气传感器产值最高，预估将从2005年的62亿美元提升至2010年的86亿美元。

　　另外，在车用影像传感器方面，根据iSuppli统计，车用CCD(CMOS) 影像传感器在整个传感器市场中，仅有1%左右市场占有率。但预期至2007年时，复合增长率将会超过40%，总销售量也会超过1,100万颗，未来每辆汽车上至少会装配5至10个影像传感器，若以一部汽车装备10个影像传感器，车用影像传感器市场规模高达16亿美元。

　　2.降低事故发生率

　　汽车安全发展至今，其终极目标就是降低事故发生率，而这也是车用传感器发展以来最重大的指标之一。一般人向前的视野约略超过180度，不过，车上的三面后视镜总计不过是40-50度的后照视野，更不要说大型车辆所能提供驾驶者的可视范围;因此，车辆后方、侧边等死角也是造成意外擦撞的主要原因。

　　经美国汽车安全的研究报告数据指出，在北美汽车零件市场中，后视镜每年销售金额保守估计超过2.5亿美元，换句话说每年美国车主替换数以百万计的后视镜，或在车子各个部位加装新的后视镜，来改进汽车后方可视范围。

　　不过，汽车后方视野盲点的产生原因很多，可能是因为后视镜角度调整不正确，或是汽车结构上有遮住驾驶员视野的后车柱，又或者是搭载大件行李遮住驾驶员向后方的视野。

　　此外目前汽车外型设计潮流走向高腰线，每部新发表的汽车外型门侧车窗都更高了一些，驾驶员的视野也越来越被侵犯，而盲点侦测设备的需要似乎也越来越大。

　　因此，目前已有许多感测技术，甚至是雷达技术都已实际被应用在汽车上，藉以提升汽车驾驶的安全性，而众多传感器技术中，若能找到最可靠的感测技术，是不会受到光线明亮昏暗，或浓雾、下雨、下雪等天气状况，乃至于空气污染、灰尘等环境状况的影响。

　　3.车用传感器在汽车上主要应用

　　3.1刹车系统

　　基于汽车必须具有平稳、安全驾驶的考量，以车辆刹车系统为例，针对汽车四个轮子的操控上，除了运用大量位置、位移和压力传感器并普遍安装了防爆冲死锁刹车系统(Anti Lock Break System;ABS)外，包括国产车在内，大都已增设电子刹车自动分配系统(Electronic Braking-pressure Distribution;EBD)，可大幅提升阴雨气候、雪等天气路况不佳时驾驶的稳定性。

　　目前，高档车款进一步加装了紧急刹车辅助系统(Electronic Brake Assistance;EBA)，该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩刹车踏板时的速度和力度，并判断紧急刹车的力度是否足够，一旦需要就会自动增大刹车力度及强化性能。

　　3.2开车舒适、方便是驾驶者最大的驾车乐趣

　　许多高级及豪华车款的配备及设备都趋于人性化，不但彰显其身份地位象征，另一方面也提高驾驶者驾驶安全性、舒适性及方便性。比方说：搭配驾驶者驾驶习性、身高与体重，运用位移传感器与微阀控制，可以将座椅、后视镜调整到驾驶者最舒适的状态并加以纪录，还能顾及到驾驶的最佳行车视野。

　　另外，还可运用影像、距离、超声波或激光传感器，再经由显示、警示等设备告知路面车行信息，以利驾驶者降低盲区及视野死角，保持最佳车距及便于路边停车控制及倒车动作。

　　在乘坐舒适性方面，也可应用温度、湿度、风量及日照等传感器，可自动控制空调系统，在车内维持舒适恒温系统，及运用光度传感器可使车灯亮度自动控制，还能运用雨滴及除雾传感器可自动控制前、后挡风玻璃雨刷自动运作。

　　3.3自动检测、自我维护 时时确保安全气囊可靠性

　　安全气囊运用微加速或微惯性传感器来监控及量测，它在关键时刻必须要能实时、正确地瞬间打开，以维护乘客安全，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此，安全气囊的ECU 必须具有自动检测、自我维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保气囊在瞬间动作时能达到保护驾驶员的效果。

　　3.4车载计算机系统中的智能监控应用

　　新的车载计算机系统(on-board computer)能够对汽车实施监控，就像是飞机上的飞行记录器一样。在实际安装后，系统内配备的加速感应器和回转感应器，可以监控汽车的速度、安全带的使用状况及由于汽车急转弯、紧急刹车、行驶不稳定、异常减速和不安全倒车等原因造成的超重力行驶，只要汽车在不安全状态下行驶，例如：出现超速驾驶、超重力行驶、没扣安全带等状况，记录器便会向驾驶者发出警示声响，如果驾驶者对警示置之不理，则警报便会一直重复下去，直到进入安全行驶状态，可为驾驶者提供指导和预警等功能。

　　3.5促进燃料系统达到省油、低污染及高效能

　　一般来说，车用电子系统系是由各个电子控制单元所组成，不但具有自我操控能力，同时又有协调整合功能使车上各个子系统达到最佳工作效率。以燃料系统为例，为使发动机处于最佳工作状态，从运用流量传感器量测吸入汽缸的空气流量、压力传感器量测进气压力开始。

　　再根据水温、空气温度等工作环境参数(运用温度传感器)计算出基本喷油量，同时再通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工作状态，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，另运用爆震感测监测发动机的振动和燃烧噪声等讯号，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。

　　这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以结合气体浓度传感器来监控系统废气排放，并与起动系统等组合，构成可使汽车发动机马力和扭力最佳化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能型系统。

　　3.6自动监控、调整及回馈讯息的车用感测产品

　　车上各式各样功能组件都有其操控性、运动特性，对车用电子产品而言，绝大时期都处在复杂的行车环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性(毒性)气体，及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，车上的电子组件及电路必须兼具稳定度、抗环境和自动调整、监控及回馈故障码的能力。

　　4.毫米波雷达、夜视感测系统纳入行驶安全行列

　　在汽车仪表板上多了一个在电影里常看到的雷达屏幕，后方不断有小光点闪烁;其实不然，车上讯息显示方式和避免提供驾驶员过多不重要的讯息，也是设计上的重点。

　　所谓“车用雷达技术”，简单地说，就是将一种非常高频无线电波发送出去，再透过接收由前方车辆等反射回来的射出毫米波，来检测车间距离及车辆位置，再加上算法来提高了毫米波的接收灵敏度。

　　一旦侦测范围内没有物体，自然也没什么反射讯号，如果侦测范围内有物体，反射讯号很强，雷达系统会量测其发送讯号到接收到反射讯号所需要的时间。物体越远的话，发射和接收差距时间越长，用这种方式来计算物体的距离。

　　不过，以目前的成本结构来看，虽然是比过去几年便宜许多，但是离车厂的期望值来说仍旧有一段距离。根据车厂内部人员表示，若毫米波雷达成本能下降，就会很容易普及，但这与目前的成本有相当大的一段差距，难度也是非常高的。

　　为解决夜间视线不佳问题，一般来说会以红外线作为辅助光源，不过，由于目前价格还比较高，使得目前的夜视系统多半只局限在某些高级车种上。汽车所使用的夜视系统，大多为近红外线和远红外线类型为主。

　　使用远红外的特点是：当遇到对向车辆的前照灯、信号灯及道路标识发生反射等情况时也不会晃眼，及在对向车辆也配备有远红外线夜视系统时也不会相互干扰。而与远红外影像传感器相比，近红外线的夜视系统能够以较低成本完成。

　　5.功能化、模块化、智能化、微型化将是车用传感器发展新途径

　　现在几乎所有车体上的机械结构及组件都已受到电子设备掌控，但因为车体内可应用空间过于狭隘，构件系统空间更是受到限制。因此，在一般的理想状况下，电子控制单元应该会与受到控制组件紧密结合，而逐渐形成一个整体。因此，电路及组件的微型化、模块化是必然趋势，从工程的角度来看，将传感器组件微型化有其优点。

　　现代汽车上微机电技术发展的车用传感器发展趋势应朝多功能化、模块化、智能化、微型化技术方向发展。

　　许多汽车厂商为了严格把关车上电子产品稳定度及品质，对其可靠度及信赖度要求极为严格;因此，诸多车用传感器的重要关键主动组件已有固定供货商提供，包括：Freescale、Infineon、STM、Renesas、Toshiba、NEC等一级供应链中的车用电子大厂。

　　若此时想切入该领域厂商，除必须要直接要面对到国际大厂竞争压力外，厂商还必须克服的挑战，包括：数字与模拟技术整合、车规于温度、湿度、耐震、产品生命周期等标准要求，还有上述厂商所把持的专利屏障等，不论是设备品质或技术等问题都迈入车用传感器领域的一大挑战。