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科技竞速已经开始,中国汽车传感器企业能否在这一领域实现“反超”?

发布时间:2016-08-12
责任编辑:单玉秋
来源:中国知识产权报

摘要:传感器是汽车电子控制系统的关键部件,霍尔传感器取代传统接触式传感器已成大势所趋。本文作者认为,中国汽车传感器产业整体研发水平较低,关键技术仍然掌握在欧美企业手中,中国汽车霍尔传感器的研发之路任重道远。

  原标题:专利申请数量较少,未形成独立产业,高端产品依赖进口——我国汽车霍尔传感器研发任重道远  

  汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件。随着社会的发展,传统的接触式传感器不断显露出局限性:易受高温、振动影响,易被磨损或污染,从而直接影响整个电子控制系统的稳定性及控制效果。为了弥补接触式传感器的不足,霍尔传感器得到大力发展,其因为具有结构牢固、无触点、寿命长、功耗小、耐振动、防污染、耐腐蚀等优点,被广泛应用在电子控制系统中。如今,汽车霍尔传感器取代传统接触式传感器已成大势所趋。

  四大发展阶段

  汽车霍尔传感器技术的发展大致经历了4个阶段:第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代中期,利用霍尔效应制成磁场传感器,但霍尔效应十分微弱,实用价值不大,没有引起人们的重视;第二阶段是从20世纪40年代末到60年代,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、非接触式开关、位置、角度、速度、加速度传感器等,但由于霍尔元件易受到外部磁场干扰等原因,没有得到大规模推广;第三阶段是自20世纪60年代至80年代,集成电路技术快速发展,霍尔元件具备了很好的一致性,成品率很高,推动了霍尔传感器在汽车传感器领域的大规模应用;第四阶段是20世纪80年代开始,随着微电子、光电子等多学科的融合,汽车传感器技术发展节奏加快,向微型化、集成化、智能化方向发展。

  中国汽车传感器技术起步较晚,上世纪80年代以来,国内汽车仪表行业引进国外的先进技术及与之相配套的传感器生产技术,基本满足了国内小批量、低水平车型的配套要求。国内很多汽车零部件配套企业和科研院校致力于研究将霍尔原理技术应用于汽车位置传感器中,在近10年里国内汽车霍尔传感器技术得到迅速发展。

  但中国汽车传感器产业整体水平仍然较低,没有形成系列化、配套化,尚未形成独立的产业,霍尔传感器尤其是高端汽车传感器仍然依赖进口,博世(Bosch)、电装(Denso)、德尔福(Delphi)、西门子(SIEMENS)等国际零部件公司占有国内绝大多数传感器市场份额,中国汽车霍尔传感器的研发任重道远。

  外企占据优势

  笔者通过检索国内外专利申请情况发现,国外汽车霍尔传感器技术起步早,早在20世纪90年代就已经发展的比较成熟,专利申请量较大。相比之下,国内汽车霍尔传感器技术起步较晚,2005年之前专利申请量较少,2005年之后快速发展起来,专利申请量呈跨越式增加,近年来国内外专利申请量趋于接近。出现这种比较大的差距,主要原因在于国内汽车制造起步较晚,且核心技术主要掌握在美、欧跨国汽车公司手中。

  从申请人分布看,国内申请人主要是以浙江汉博汽配公司、南京奥联汽车为代表的汽配汽车制造公司和以武汉理工大学为代表的高校科研单位,国外申请人主要是以日本电装公司、德国博世公司为代表的国外汽车电子公司。全球申请人主要集中在日本和欧美的汽车电子制造企业,排名前10位中有4位为日本公司。

  从地域分布看,专利申请主要集中在日本、美国、德国、中国和韩国,这5国专利申请量占全球该领域申请总量的近9成。其中日本和美国均以32%的份额在专利申请数量上遥遥领先,主导优势明显。中国虽然位居第四位,但相较日本和美国还是有明显差距,仅占8%。同时,中国在该领域的国外专利申请量明显低于国内申请量,表明我国相关申请人在该领域的国外专利布局做得还不够,需要加强国外专利申请。

  三大典型技术

  通过梳理汽车霍尔传感器技术专利申请,笔者发现该领域的改进主要集中在霍尔元件结构、集成电路和封装工艺3个方面,需要中国相关企业多加关注。

  霍尔元件结构主要分为3种:汽车一维霍尔传感器,用于测量垂直于元件表面的磁场,噪声低,稳定性高;汽车二维霍尔传感器,在芯片上同时集成两个一维霍尔元件,制成的霍尔传感器就可以同时测量磁场同一平面的两个分量,其最大优点是测量角度几乎不受永磁体位置的影响,允许比较大的封装误差和温度波动;汽车三维霍尔传感器,在传统的CMOS芯片表面沉积一层集磁材料,既可以感应垂直方向,也可以感应平行于芯片表面的磁场强度,实现360度测量,能额外放大霍尔元件区域内的磁场,提高灵敏度。

  优化集成电路主要通过消除零位误差和温度补偿来有效提高汽车霍尔传感器精度。针对消除零位误差,典型技术是冗余设计,采用两个相对偏置的霍尔元件并联,不等位电势被抵消,有效提高霍尔传感器精度。与其原理类似,还可采用4个霍尔元件并联,以及采用多个霍尔元件并联。针对温度补偿,一方面可以设置电阻等元件形成温度补偿电路,一方面可以在检测用霍尔元件附近配置温度监控用霍尔元件,通过运算电路进行抵消霍尔电压的温度特性的运算。

  在改进汽车霍尔传感器的封装工艺方面,主要是对各构件准确定位,减小霍尔元件位置误差;增加软磁元件,提高传感器精度,如在磁铁和磁场敏感元件之间的磁铁的一侧设置软磁元件,使磁场的偏移量最小化等。(作者:刘文婷、周庆成)

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