汽車電子控制系統(tǒng)普遍遵循感知→控制→執(zhí)行的工作流程。

傳感器作為感知單元獲取系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制單元處理傳感器信號(hào)并計(jì)算輸出控制指令，最終由執(zhí)行單元完成相應(yīng)動(dòng)作。

以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）為例， 車輛運(yùn)行過(guò)程中， 方向盤扭矩轉(zhuǎn)角傳感器監(jiān)測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角及扭矩信息，輪速傳感器監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)速， 控制器（ECU）通過(guò) CAN總線實(shí)時(shí)獲取傳感器信號(hào)， 并根據(jù)特定邏輯實(shí)時(shí)處理信號(hào)，計(jì)算得到一個(gè)理想的助力力矩， 最后通過(guò) MOSFET 控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)助力效果。

汽車動(dòng)力、底盤、車身、電氣四大系統(tǒng)中，絕大部分的電子控制具備類似的工作原理，從感知、控制到執(zhí)行環(huán)節(jié)，半導(dǎo)體器件無(wú)處不在，包括感知系統(tǒng)的傳感器，控制環(huán)節(jié)的微控制器（MCU）、通信芯片（CAN/LIN等）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），執(zhí)行環(huán)節(jié)的功率器件（MOSFET、 IGBT、 DCDC）等。其中傳感器更是汽車的機(jī)會(huì)所在。

汽車傳感器可分為車輛感知、 環(huán)境感知兩大類。動(dòng)力、底盤、車身及電子電氣系統(tǒng)中的傳感器屬于車輛感知范疇， ADAS以及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中引入的車載攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等屬于環(huán)境感知范疇。

本文重點(diǎn)講解汽車感知傳感器。

按照工作原理，汽車傳感器主要可分為 MEMS、磁、化學(xué)、溫度四大類，我們統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)汽油車上 MEMS 傳感器超 50 個(gè)， 磁傳感器超過(guò) 30 個(gè)，合計(jì)占比約90%。

MEMS 傳感器

MEMS 傳感器（Micro-Electro-Mechanical System）是一個(gè)將微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路以及接口、通信和電源模塊都集成于芯片上的微機(jī)電系統(tǒng)，在汽車上廣泛應(yīng)用于壓力類以及運(yùn)動(dòng)類傳感器。

根據(jù) Bosch 估計(jì)，目前一輛汽車上安裝有超過(guò) 50 個(gè) MEMS 傳感器， 我們估計(jì)單車價(jià)值量 500-1000 元。應(yīng)用較多的是壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀及磁力計(jì)等慣導(dǎo)系統(tǒng)傳感器。這些產(chǎn)品雖都采用微機(jī)電系統(tǒng)封裝，但對(duì)應(yīng)原理各不相同。

壓力 MEMS:大多基于硅的壓阻效應(yīng)，壓力作用于硅薄膜引起 4個(gè)電阻應(yīng)變片電阻的變化，惠斯頓電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)，適用于中低壓場(chǎng)景，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管、胎壓檢測(cè)系統(tǒng)TPMS、真空度、油箱壓力等。中、高壓場(chǎng)合多采用陶瓷電容的技術(shù)路線。

圖：硅壓阻式壓力 MEMS 工作原理

加速度 MEMS:基于牛頓第二定律，通過(guò)在加速過(guò)程中對(duì)質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)慣性力的測(cè)量來(lái)獲得加速度值。采用電容式、壓阻式或熱對(duì)流原理，分為低 g （重力加速度）和高g 兩大類，區(qū)別在于測(cè)量的加速度范圍不同， ±2g~±24g 等低 / 中 g 傳感器用于主動(dòng)懸架、ESP、側(cè)翻、導(dǎo)航等非安全類系統(tǒng)， ±200g 等高 g傳感器用于氣囊等安全系統(tǒng)。

圖：電容式 MEMS 加速度計(jì)工作原理

角速度 MEMS/ 陀螺儀：基于 Coriolis 力原理：一個(gè)物體在坐標(biāo)軸中直線移動(dòng)時(shí)，假設(shè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，物體會(huì)受到一個(gè)垂直的力和垂直方向的加速度。MEMS 陀螺儀通常安裝兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，徑向電容板加振蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，橫向電容板能夠測(cè)量由于橫向 Coriolis運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化，從而計(jì)算出角速度。最多可測(cè)量 x/y/z 三軸角速度，用于側(cè)翻、車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航 IMU 等。

圖：MEMS 陀螺儀工作原理

磁力計(jì)：運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地磁場(chǎng)改變磁力計(jì)主磁場(chǎng)方向，從而引起導(dǎo)電薄膜內(nèi)磁場(chǎng)方向與電流夾角值變化，而夾角的變化與電阻值呈線性關(guān)系，通過(guò)換算可以確定與地磁場(chǎng)的相對(duì)位臵來(lái)進(jìn)行定位。

磁力計(jì)主要與加速度計(jì)、陀螺儀一起，應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中（Dead Reckoning）， 用于在 GPS信號(hào)缺失時(shí)，通過(guò)測(cè)量與地磁場(chǎng)的相對(duì)位臵來(lái)判斷汽車的航向角及姿態(tài)。磁力計(jì)基于磁效應(yīng)，采用 MEMS 工藝，由于霍爾效應(yīng)靈敏度難以達(dá)到要求，普遍應(yīng)用 AMR來(lái)感應(yīng)地磁場(chǎng)。

圖：MEMS AMR 磁力計(jì)工作原理

磁傳感器

目前磁傳感器有四代技術(shù)， 分別為霍爾效應(yīng)、 AMR （Anisotropic magnetoresistance effect）、 GMR （Giant magnetoresistance effect）、 TMR （Tunnel magnetoresistance effect），主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)量，具體產(chǎn)品形式為速度傳感器、 線性及角度位臵傳感器、電流傳感器等。

霍爾傳感器：目前汽車上應(yīng)用的磁傳感器大多基于霍爾效應(yīng)的原理，簡(jiǎn)稱為霍爾傳感器。主要用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)量，如位臵、角度、速度、電流等，分為霍爾開(kāi)關(guān)、位臵霍爾（線性 / 角度 /3D）、轉(zhuǎn)速霍爾、電流霍爾及導(dǎo)航系統(tǒng)磁力計(jì)等類型。

霍爾傳感器的測(cè)量原理——霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流通過(guò)磁場(chǎng)中的霍爾元件時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)霍爾元件中的電子產(chǎn)生垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向的作用力，使得在垂直導(dǎo)體與磁感線方向正負(fù)電荷聚集，形成霍爾電壓。

霍爾傳感器的測(cè)量原理是運(yùn)動(dòng)切割磁感線引起磁場(chǎng)以及感應(yīng)電流的變化，最終導(dǎo)致霍爾電壓的變化，依據(jù)該變化來(lái)探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。

圖：霍爾效應(yīng)原理圖

xMR 磁阻：AMR、 GMR、 TMR 均基于磁阻原理，作為下一代磁傳感器技術(shù)，憑借性能優(yōu)勢(shì)，滲透率正日益提升。目前 AMR/GMR 技術(shù)已經(jīng)在輪速、方向盤轉(zhuǎn)角 / 扭矩、電子節(jié)氣門位臵、曲軸和凸輪軸轉(zhuǎn)速等傳感器領(lǐng)域得到規(guī)模化應(yīng)用。

TMR 傳感器的性能提升十分顯著，利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)，與霍爾元件、 AMR、 GMR 相比， 優(yōu)勢(shì)突出：

第一， 溫度性能好，前端模塊電鍍了納米厚度的氧化層， 而不是半導(dǎo)體；

第二， 電流功耗小，從霍爾的 5-20mA 減少到 μA 級(jí)別；

第三， 敏感性很強(qiáng)，規(guī)模上量后成本更低， 霍爾元件需要用釹鐵硼等強(qiáng)力磁鐵。

TMR 傳感器將憑借突出的產(chǎn)品性能， 在高要求應(yīng)用場(chǎng)景替代霍爾傳感器：

1、 角度、轉(zhuǎn)速、位臵類傳感器：包括 BLDC 轉(zhuǎn)子位臵、方向盤轉(zhuǎn)角、輪速、節(jié)氣門位臵、曲軸 / 凸輪軸角度等功能安全等級(jí)要求非常高的應(yīng)用場(chǎng)合。

2、 液位傳感器：TMR 取代干簧管， 干簧管容易破裂、 一致性差、 成本較高， TMR 靈敏度高、成本低、克服破碎問(wèn)題。

化學(xué)傳感器

氧傳感器：汽車中一般設(shè)臵前氧和后氧兩個(gè)氧傳感器。前氧傳感器檢測(cè)混合排氣中氧的含量， 并反饋給發(fā)動(dòng)機(jī) ECU修正噴油量，控制混合氣的空燃比在理論值附近，使三元催化達(dá)到效率最高。后氧傳感器檢測(cè)催化轉(zhuǎn)化后混合氣體中的氧含量，用來(lái)判定三元催化轉(zhuǎn)化器是否失效。

圖：氧傳感器工作原理

氮氧化物傳感器：氮氧化物傳感器主要應(yīng)用在柴油車后處理 SCR 系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction System），用于檢測(cè)尾氣催化還原之后NOx 的含量是否滿足排放要求。

溫度傳感器

汽車上普遍用熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度，可分為 PTC 和 NTC 兩類。

NTC: 電阻隨溫度升高而降低，主要用來(lái)測(cè)量氣體、液體、環(huán)境溫度，包括冷卻液、進(jìn)氣管、空調(diào)蒸發(fā)器出口、車內(nèi)外等溫度檢測(cè)。

PTC: 超過(guò)一定溫度時(shí)，電阻明顯增大， 主要用于過(guò)流保護(hù)、溫度限制、加熱等場(chǎng)景，如電機(jī)保護(hù)傳感器。

面對(duì)高溫場(chǎng)合，如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、三元催化器溫度高達(dá) 800℃以上， 傳統(tǒng)的熱敏電阻無(wú)法滿足要求，通常采用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。