Рис. 19. Основные требования, предъявляемые к автомобильным датчикам
Низкая себестоимость изготовления
Электронные системы в современных автомобилях включают в себя 150 датчиков. Такое количество вынуждает к радикальному снижению затрат в сравнении с другими областями применения. Целевые затраты здесь составляют стандартно от 1...30 €, чаще меньше сотой части обычных датчиков такой же мощности. Естественно, затраты уже при введении новой технологии — часто начиная с более высокого уровня — движутся по нисходящей кривой.
Тенденция развития
Все больше и больше в обиход входят автоматизированные процессы изготовления (рисунок 20), которые работают с высокой отдачей. Это означает, что на каждом этапе одновременно производится все большее число датчиков. В качестве примера возьмем изготовление полупроводниковых датчиков в режиме пакетной обработки, при котором одновременно изготавливается, как правило, 100...1000 датчиков на одной кремниевой пластине. Такие автоматы оправдывают себя только при производстве больших объемов, которые превышают потребности одного отдельного поставщика и стандартно составляют ок. 1...10 миллионов штук в год. Высокий спрос автомобильной промышленности сыграл в данном случае беспрецедентную роль и установил новые рамки.
Рис. 20. Взаимосвязь затрат, рынков, технологий
Высокая надежность
В соответствии с вашими задачами автомобильные датчики можно распределить на три класса надежности:
- механизм управления, тормоза, безопасность пассажиров;
- двигатель/трансмиссия, ходовая/ шины;
- комфорт, диагностика, информация, защита от угона.
Требования высшего класса соответствуют при этом высоким параметрам надежности, известным нам из само-лето- и ракетостроения. Они требуют применения отчасти таких же мер, например, использования лучших материалов, дублирования деталей, самоконтроля, кратковременной резервной подачи электроснабжения, многократного программирования критических решающих алгоритмов.
Тенденции развития
Надежность обеспечивается также конструкционно, т.е. за счет использования надежных компонентов и материалов, а также надежной и проверенной технологией. Кроме того, следует стремиться к последовательной интеграции систем во избежание наличия соединений, способных быстро выйти из строя. Это можно воплотить, например, в датчиках, запрашивающих радиосигнал, на основе соединенных с антенной SAW-элементов (Surface Acoustic Wave, поверхностные волны), которые могут обходиться вообще без кабеля. При необходимости можно использовать дублирующие системы датчиков.
Сложные условия эксплуатации
Автомобильные датчики, в связи с их местом установки, подвергаются экстремальным нагрузкам как никакое другое устройство и вынуждены выдерживать разнообразные воздействия:
- механические (вибрация, толчки);
- климатические (температура, влажность);
- химические (например, вода, солевой туман, топливо, моторное мало, кислота из батареи;
- электромагнитные (облучение, импульсы помех, избыточное напряжение, неправильная полярность).
Тенденция устанавливать датчики непосредственно на заводе в местах измерений привела к значительному ужесточению требований. Рисунок 21 отображает эту проблему на примере датчика, который мог бы быть датчиком для измерения, например, температуры, числа оборотов, расхода или концентрации. Не всегда датчик должен быть заключен в герметический корпус. Хотя для измерения температуры, расхода и концентрации этот корпус может быть грубой защитой, однако он должен обеспечивать контакт датчика с наиболее агрессивными измерительными средами (исключениями являются инерционные датчики). Иногда допускается использование тонких, но очень прочных пассивировочных покрытий датчика.
Рис. 21. Технологии изготовления датчиков. 1. Датчик; 2. Защитный колпачок (корпус); 3. Уплотнение; 4. Держатель; 5. Уплотнение, крепление; 6. Опора; 7. Уплотнение, уменьшение растягивающего усилия; 8. Изоляция (гибкая); 9. Замыкание контактов; 10. Корпус штекера; 11. Контакт штекера
Форма вставляемого датчика должна обеспечивать длительное плотное крепление держателя в соответствующих стенках (внутренний монтаж, наружный монтаж). Соединение с электронным блоком управления можно выполнять посредством жесткого штекера или — как изображено — с помощью штекера, прикрепленного к гибкому концу кабеля (например, датчик числа оборотов ABS). Здесь также существуют критические электрические места соединений, которые должны обязательно иметь защиту от попадания влаги и коррозии: внутреннее подключение чувствительного элемента, соединение конца кабеля и, наконец, соединение экранированного кабеля с наружным креплением датчика. При наличии недостаточного уплотнения тот факт, что вызывающая коррозию влага снаружи штекера проникнет во внутреннюю часть соединения датчика, останется лишь вопросом времени.
Кабельное соединение само по себе также должно быть настолько герметичным, чтобы на выходе датчика не образовывались никакие ответвления. Кабель должен сохранять свою гибкость и герметичность при длительной эксплуатации в различных условиях.
Разъемные штекерные соединения в автомобиле до сих пор являются наиболее частой причиной поломок. Беспроводные сигнальные соединения (например, инфракрасный свет или радиосигнал) могли бы устранить эту проблему, если бы датчики теоретически могли бы иметь беспроводное энергоснабжение (автократические датчики).
Затраты на это сопутствующее датчикам техническое обеспечение часто превышают собственную стоимость чувствительного элемента датчика в несколько раз.
Тенденция развития
Меры защиты от названных нагрузок и повреждений требуют большого числа «ноу-хау» в технологии монтажа датчиков:
- технология пассивации и соединения;
- технология герметизации и стыковки;
- методы защиты электромагнитной совместимости;
- монтаж с минимизацией колебаний;
- методы тестирования срока службы и моделирования;
- использование резистентных материалов и пр.
Волоконно-оптические датчики, в которых свет, проводимый по оптическим волокнам (стекло, пластик), влияет на измерительные величины, считаются наиболее устойчивыми к электромагнитным помехам. Это правило действует до того момента, пока оптические сигналы опять не будут преобразованы в электрические. Если эти датчики в будущем войдут в обиход, то в разработках по созданию экономичных измерительных элементов и сопроводительного технического обеспечения должен быть сделан следующий шаг. В этой связи существуют очень интересные разработки в области измерения силы, например, в целях реализации защиты от травм в электрических стеклоподъемниках и раздвижных крышах (рисунок 22). Датчики этого типа с большим успехом прошли испытания как рано срабатывающие датчики, имеющие распределенное воздействие, устанавливаемые в дверях и фронтальной зоне автомобиля и используемые для приведения в действие систем защиты пассажиров и пешеходов.
Рис. 22. Эффект микроизгиба
Пример разработки волоконно-оптического устройства защиты от травм дверями в стеклоподъемниках на основе эффекта микроизгиба: за счет волнообразного изгиба при применении силы F поперечно волокну пропорционально ослабляется протекающий поток света (большой измерительный эффект), независимо от того, где прилагается сила и воздействует ли она точечно или распределена (распределенные датчики).
Маленькие конструкции
Постоянно растущее число электронных систем в автомобиле с одной стороны и все более компактная форма автомобиля с другой стороны при одновременном сохранении комфорта в салоне для пассажиров вынуждают создавать исключительно маленькие конструкции.
Тенденция развития
- Пленочные и гибридные технологии (сопротивление, зависимое от растяжения, температуры, магнитного поля); нанотехнология.
- Полупроводниковые технологии (звуковые и температурные датчики).
- Поверхностная и объемно-канальная микромеханика (датчики давления, ускорения и числа оборотов из кремния).
- Микросистемная технология (комбинация двух и более микротехнологий, например, микроэлектроники микромеханики, рисунок 23).
Рис. 23. Микросистемная технология
Микромеханический способ изготовления означает с одной стороны размеры в диапазоне мкм и допуски в диапазоне долей мкм, которые недостижимы при использовании обычных методов обработки. С другой стороны, такие датчики относятся к микромеханическим, если их размеры находятся в миллиметровом диапазоне, но они изготовлены при использовании методов микромеханики (рис. 24).
Рис. 24. Микромеханика и механические структуры
Здесь стоит упомянуть только самый известный и важный метод, а именно, анизотропное травление кремния. Он является самым важным, поскольку кремний можно превосходно производить в больших количествах и без высоких затрат, кроме того, он является наиболее исследованным и известным материалом. Кроме того, существует возможность монолитной интеграции датчика и измерительной электроники. В зависимости от оси кристалла используют весьма различные скорости протравливания (1:100), при которых используют подходящие жидкости для травления, например КОН (рис. 25); таким образом, некоторые поверхности кристаллов остаются практически неповрежденными, тогда как другие глубоко протравливаются.
Рис. 25. Структура теста для определения скорости травления в экспонировании отдельного кристалла кремния
В сочетании с процессом попеременного протравливания (легирование, предохранительный слой) можно создать почти трехмерные изображения наименьших размеров с высочайшей точностью (рис. 26, 27). Проблему одновременной интеграции включения можно рассматривать как практически решенную, если в настоящее время на основании получения лучшего выхода и более высокой гибкости для большинства датчиков соответствующая схема еще будет представлена отдельно.
Рис. 26. Анизотропное травление (100) кремния. а. Вид сверху; b. Поперечное сечение при АА'
Рис. 27. Испытания трехмерной формы кремния.
В отличие от объемной микромеханики анизотропное, часто глубокое полупроводниковое травление не играет никакой роли в поверхностной микромеханике (ОММ). Структуры датчиков поверхностной микромеханики зачастую формируются дополнительно на поверхности кремниевого субстрата (рисунки 28 и 29). Если размеры объемных кремниевых датчиков находятся в миллиметровом диапазоне, то размеры структур поверхностной микромеханики как правило значительно меньше (обычно 100 мкм).
Рис. 28. Поверхностно микромеханический датчик давления с пьезорезистивным отводом
Рис. 29. Поверхностно микромеханический датчик ускорения с емкостным отводом
Детали, от которых невозможно отказаться из механических соображений, одновременно используются в разных вариантах для установки в корпус или охлаждения соответствующих датчиков, либо для электроники (например, микро-гибридный прибор управления в качестве дополнительного элемента управления, устанавливаемого на дизельном распределительном насосе VP44). Это совмещение механических и электронных компонентов, обозначенное как мехатроника, все чаще используется в целях экономии затрат и места, так что в обозримом будущем она станет практически незаменимой.
Другой пример мехатронной системы — датчики числа оборотов на звуковой основе (по принципу Холла), встроенные в колесный подшипник. Здесь обязательное радиальное уплотнение подшипника за счет добавления магнитного порошка даже берет на себя функцию ротора или индуктора. Датчик выигрывает за счет прекрасной защиты и установки в капсулу, а также благодаря высокой точности подшипника качения и уже не нуждается в зажимных магнитах. Кроме того звуковая технология (технология Холла) позволяет осуществлять установку в очень узкие пространства подшипника.
Высокая точность
Требования к точности более скромные, чем у чувствительных элементов (ресиверов), за редкими исключениями (например, датчик объема воздуха). Допустимые погрешности составляют в общем менее 1% конечного значения измерительной области — особенно, если принимать во внимание неизбежные воздействия старения. Этого можно добиться с помощью технологии регулировки датчиков при установке и эффективных мер компенсации воздействия помех. Все более претенциозные и сложные системы способствуют возникновению более высоких запросов в этой области, а именно, после того, как выше перечисленные требования в основном будут выполнены.
Тенденция развития
Сначала в этой связи в большой степени поможет уменьшение допусков при изготовлении, а также усовершенствование технологий регулировки и компенсации. Существенный шаг вперед осуществляется за счет гибридной и монолитной интеграции сенсорной и сигнальной технологии в точке проведения измерений, вплоть до создания сложных цифровых схем, таких как AD-преобразователи и микрокомпьютеры (рис. 30).
Рис. 30. Уровни интеграции датчика. SE. Датчики; SA. Подготовка сигнала; А/D. Преобразователь сигнала из аналогового в цифровой; SG. Блок управления; МС. Микроконтроллер; BS. Магистральный интерфейс
Такие системы, обозначенные как «умные датчики», полностью используют точность, заложенную в датчике, и предоставляют следующие возможности:
- снятие нагрузки (компенсация) блока управления;
- единый, гибкий и подключаемый к шине интерфейс;
- многократное использование датчиков;
- использование меньших измерительных эффектов, а также высокочастотных измерительных эффектов (усиление и демодуляция по месту использования);
- корректировка погрешностей датчика в точке проведения измерений, а также общая регулировка и компенсация датчика и электроники, упрощенная и усовершенствованная за счет сохранения индивидуальных корректировочных данных в PROM.
При одновременном определении значения и оцифровке величин помех умные датчики могут практически без ошибок рассчитывать искомую величину, используя математическую модель датчика (рис. 31). Для этой цели в ходе предварительной регулировки определяются индивидуальные параметры конкретной модели, которые сохраняются в PROM, интегрированном в датчик. Таким же способом можно значительно улучшить не только статические, но и динамические характеристики датчиков (обработка дифференциального уравнения, описывающего динамический процесс).
Рис. 31. Модель корректировки умного датчика
Электроника нуждается также в структурах, состоящих из набора датчиков, в состав которых могут входить как несколько одинаковых, так и различных датчиков, это используется для обработки различных состояний. В этой связи в первую очередь следует упомянуть формирователи видеосигналов, которые в будущем будут играть большую роль в анализе ситуации внутри и за пределами транспортного средства.
Благодаря большому числу встроенных датчиков давления в очень узком пространстве, можно не только повысить надежность полученного результата измерения, но и снизить нерегулируемое отклонение старения за счет создания среднего значения. Отдельные случаи выхода из строя (выпадающие значения) можно определить и элиминировать. Такие датчики называют также «Soft-датчики». Если различные измерительные ячейки — при одновременной высокой способности выдерживать перегрузки (например, обусловленные производственными мощностями) — рассчитаны на использование в различных измерительных диапазонах, то с помощью такого датчика диапазон высокоточных измерений будет значительно шире. Структуры датчиков такого типа разработаны и протестированы уже много лет назад, но не используются как массовый рыночный продукт.