汽車(chē)MEMS傳感器應用及發(fā)展

摘要：本文通過(guò)大量的文獻資料，評述汽車(chē)MEMS（微機電系統）傳感器的應用現狀及發(fā)展趨勢，其中重點(diǎn)介紹幾種傳感器的原理和結構，同時(shí)對該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化也進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)傳感器、微機電系統、力敏器件。

一、引言

　　MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專(zhuān)用的微機電加工方法的基礎上蓬勃發(fā)展起來(lái)的高新科技，其研究開(kāi)發(fā)主要集中在微傳感器、微執行器和微系統三個(gè)方面，目前主導MEMS市場(chǎng)的傳感器已形成產(chǎn)業(yè)。用此技術(shù)研制的五花八門(mén)的微傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應快、靈敏度高、易生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢，可以測量各種物理量、化學(xué)量及生物量。在市場(chǎng)引導、科技推動(dòng)、風(fēng)險投資、政府介入等多重作用下，汽車(chē)MEMS傳感器發(fā)展迅速，現已成為相關(guān)部門(mén)爭先投資開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。在高檔汽車(chē)中，大約采用25至40只MEMS傳感器，技術(shù)上日趨成熟完善，可滿(mǎn)足汽車(chē)環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求，極大地推動(dòng)了電子技術(shù)在汽車(chē)上的應用。

二、壓力傳感器

　　汽車(chē)電子控制系統一直被認為是MEMS壓力傳感器的主要應用領(lǐng)域之一，可用于測量進(jìn)氣歧管壓、大氣壓、油壓、輪胎氣壓等，表1示出一些主要用途。

　　最流行的汽車(chē)MEMS壓力傳感器采用壓阻式力敏原理，這是現有幾種力敏傳感器中用量最大的一種，開(kāi)發(fā)出幾代產(chǎn)品，年產(chǎn)量為數千萬(wàn)只。這種傳感器用單晶硅作材料，以MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成4只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度，其輸出大多為0~5V模擬量，測量范圍取決于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同時(shí)制作許多個(gè)力敏芯片，易于批量生產(chǎn)，力敏芯片受溫度影響性能采用調理電路補償。

　　汽車(chē)用壓力傳感器被稱(chēng)為是軍品的質(zhì)量、民品的價(jià)格。其環(huán)境實(shí)驗要求是極為嚴格的（表2）。封裝好的傳感器通過(guò)嚴格的環(huán)境測試后，一般能保證0.1%~0.3%F.S.的穩定性，即使經(jīng)受最嚴格的長(cháng)時(shí)間測試，仍能維持1%F.S.的穩定性。信號調理電路和標定及封裝也是生產(chǎn)中的極其關(guān)鍵技術(shù)，科技含量超過(guò)力敏芯片的制作。例如，測量燃油噴射的壓力傳感器長(cháng)期與液態(tài)燃料接觸，并承受高壓，組裝固定和安裝尺寸的設計，涉及到大量的結構分析、機械應力測試、介質(zhì)暴露測試、電路修正等技術(shù)。

　　目前，可以提供汽車(chē)MEMS壓力傳感器的有美國凱樂(lè )爾、特種測量、SSI、菲爾科、德州儀器、德國博世、日本電裝等公司，一般年產(chǎn)量在100萬(wàn)只以上，這是汽車(chē)量產(chǎn)的需求，也是回收巨額投資的條件。部分廠(chǎng)家已研制成功力敏芯片與外圍信號處理電路集成化的汽車(chē)MEMS壓力傳感器，估計今后的價(jià)格會(huì )降至5~7美元。博世公司采用表面MEMS技術(shù)，研制出微型化的硅質(zhì)量流量傳感器，很多汽車(chē)廠(chǎng)家正對這種新型傳感器進(jìn)行評估。

　　汽車(chē)電控燃油噴射系統EFI要使用多重壓力MAP傳感器，監測發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣歧絕對壓力，提高其動(dòng)力性能，降低油耗，減少廢氣排放。微型硅壓阻式MEMS壓力傳感器可用于發(fā)動(dòng)機廢氣循環(huán)系統，替代陶瓷電容式壓力傳感器，汽車(chē)空調壓縮機中的壓力測量也是MEMS的一個(gè)很大市場(chǎng)。除現有的各種應用外，另一個(gè)極具市場(chǎng)前景的是輪胎氣壓自動(dòng)監測系統，MEMS壓力傳感器適合于任何類(lèi)型的輪胎，在輪胎胎壁埋設一小塊感壓力敏芯片，自動(dòng)測量輪胎氣壓、溫度、轉速和其它一些數據，并用特定的代碼發(fā)送出來(lái)。目前，已有不少實(shí)時(shí)胎壓監測系統問(wèn)世，使輪胎始終保持良好的應用性能，可提高安全系數，縮短制動(dòng)距離5~10%，并能降低油耗10%左右。最近，隨著(zhù)燧石爭論（Firestone Controversy）的復蘇，美國國會(huì )通過(guò)一項法案，要求到2004年每一輛汽車(chē)都要裝用車(chē)胎壓力監測系統，政府的介入為MEMS傳感器開(kāi)啟了更廣闊的市場(chǎng)，許多廠(chǎng)家正為此展開(kāi)角逐。

三、微加速度計

　　微加速度計通常由一個(gè)平行的懸臂梁構成，梁的一端固定在邊框架上，另一端懸掛一個(gè)小質(zhì)量物體塊（約10mg），無(wú)加速度時(shí)質(zhì)量塊不運動(dòng)，而當有垂直方向加速度時(shí)，質(zhì)量塊運動(dòng)，對加速度敏感，并轉換為電信號，經(jīng)C/V轉變、放大相敏解調輸出。

　　按檢測方式，微加速度計有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱形式等幾種。其中，電容式微加速度計質(zhì)量塊在有加速度時(shí)向下運動(dòng)，與邊框上的另一個(gè)電極的距離發(fā)生變化，通過(guò)檢測電容的變化可獲得質(zhì)量塊運動(dòng)的位移，主要結構分為懸臂擺片式和梳齒狀的折疊梁式，并變異成其它類(lèi)型。前者結構相對簡(jiǎn)單些，制作上也多采用體硅加工方法，簡(jiǎn)單的擺片式結構由上、下固定電極和可動(dòng)敏感硅懸臂梁電極組成，用半導體平面工藝各向異性腐蝕，靜電封接技術(shù)封裝完成制作。后者可看作是懸臂梁的并、串組合，設計上要復雜得多，微加工方法則以表面犧牲層技術(shù)為主，多晶硅材料的各向同性性質(zhì)可保證微機械性能的對稱(chēng)性，批量加工精度高，采用這種結構的敏感部分尺寸做得很小，實(shí)現與外圍電路的單片集成。電容式微加速度計的靈敏度高、噪音低、漂移小、結構簡(jiǎn)單，在汽車(chē)安全氣囊系統和防滑系統獲得廣泛應用，其檢測范圍與準確度的性能指標分別為50g（重力加速度），200°/s、500mg、10°/s、100°/s、1°/s，安全氣囊系統檢測碰撞的微加速度計的檢測范圍為±30~50g，精度100mg，檢測側面碰撞大約為250g或500g，防滑穩定系統的測量范圍±2g，精度10mg。

　　微加速度計商業(yè)化最重要的驅動(dòng)力來(lái)自汽車(chē)工業(yè)，最成功的是美國模擬器件公司的ADXL05和ADXL50系列單片集成差動(dòng)電容式加速度計，現月產(chǎn)量達到200萬(wàn)只。美國摩托羅拉公司批量生產(chǎn)汽車(chē)用MMAS40G電容式加速度計，選擇雙芯片設計制作技術(shù)，封裝為雙列直插式或單列直插式塑封，加速度測量范圍±40g。美國EG&G IC傳感器公司建立了MEMS加工生產(chǎn)線(xiàn)，先后開(kāi)發(fā)成功3255、3000系列壓阻式加速度計，3255型主要用于汽車(chē)安全系統，敏感芯片與信號自理芯片封裝在表面貼裝的外殼內。德國博世、日本電裝公司也有類(lèi)似產(chǎn)品。微加速度計正替代以往的機電式加速度傳感器，并伴隨著(zhù)汽車(chē)安全氣囊系統日趨普及而高速增長(cháng)。

四、微機械陀螺

　　微機械陀螺是一種振動(dòng)式角速率傳感器，在汽車(chē)領(lǐng)域的應用開(kāi)發(fā)倍受關(guān)注，主要用于汽車(chē)導航的GPS信號補償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統，應用潛力極大。

　　微機械陀螺中有兩個(gè)振動(dòng)模式，一個(gè)是橫向振動(dòng)模式，即驅動(dòng)振動(dòng)模式，通常稱(chēng)為參考振動(dòng)，在科氏力作用下會(huì )產(chǎn)生附加運動(dòng)；另一個(gè)是法向振動(dòng)模式，即敏感振動(dòng)模式，對反映科氏力的附加運動(dòng)的檢測，獲得包含在科氏力中的角速率信息。

　　按所用材料，微機械陀螺分為石英和硅振動(dòng)梁兩類(lèi)，石英材料結構的品質(zhì)因數Q值最高，陀螺特性最好，有實(shí)用價(jià)值，是最早產(chǎn)品化的，美國德?tīng)柨?、BEI公司采用MEMS技術(shù)，批量生產(chǎn)單軸、三軸固態(tài)石英壓電陀螺，可用于高檔汽車(chē)、導航、飛機、航天等市場(chǎng)上。德國博世、日本松下的汽車(chē)用角速率傳感器的單只售價(jià)25美元。

　　石英加工難度大，成本很高，無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)的低成本要求。硅材料結構完整，彈性好，比較容易得到高Q值的微機械結構，隨著(zhù)深反應離子刻蝕技術(shù)的出現，體硅微機械加工技術(shù)的加工精度顯著(zhù)提高，在硅襯底上用多晶硅制作適宜批量生產(chǎn)，驅動(dòng)和檢測較為方便，成為當前低成本研發(fā)的主流。從硅微機械陀螺的結構上，常采用振梁結構、雙框架結構、平面對稱(chēng)結構、橫向音叉結構、梳狀音叉結構、梁島結構等，用來(lái)產(chǎn)生參考振動(dòng)的驅動(dòng)方式有靜電驅動(dòng)、壓電驅動(dòng)和電磁驅動(dòng)等，而檢測由于科氏力帶來(lái)的附加振動(dòng)的檢測方式有電容檢測、壓電檢測、壓阻檢測。靜電驅動(dòng)、電容檢測的陀螺設計最為常見(jiàn)，已有部分產(chǎn)品研制成功。

　　現有的硅微機械陀螺產(chǎn)品的性能不高，精度一般在0.1°/s的水平，只能滿(mǎn)足汽車(chē)應用要求，但要獲得大量應用，還需解決測量電路和封裝穩定性、可靠性、價(jià)格等諸多問(wèn)題。

五、MEMS傳感器的產(chǎn)業(yè)化

　　全球汽車(chē)電子化及汽車(chē)計算機控制系統的興起，推動(dòng)了汽車(chē)MEMS傳感器的發(fā)展。在汽車(chē)上所有系統中，幾乎都能找到MEMS的用武之地，車(chē)越好，所用的MEMS就越多。BMW740i汽車(chē)上就有70多只MEMS，德國海拉集團在歐洲售后市場(chǎng)提供250種汽車(chē)傳感器，很多傳感器可用MEMS替代。據報道，2000年汽車(chē)MEMS傳感器的銷(xiāo)售額為12.6億美元，預計2004年將增長(cháng)到23.5億美元，有人預測其市場(chǎng)增長(cháng)更大，總之，在今后的汽車(chē)傳感器中會(huì )進(jìn)一步占有更大的份額。

　　MEMS傳感器的大批量高精度生產(chǎn)和高可靠性及單價(jià)廉價(jià)，特別適宜在汽車(chē)電控系統中應用，博世公司以產(chǎn)品系列完整性而引以為榮，汽車(chē)MEMS傳感器超過(guò)35種型號。風(fēng)險投資家依然青睞MEMS，被視為新興工業(yè)，2001年1季度對MEMS公司投資5.1億美元，一些新建MEMS工廠(chǎng)即將投入生產(chǎn)，另一些半導體廠(chǎng)家也將相繼加盟，美國已成立MEMS工業(yè)組織，將會(huì )進(jìn)一步推動(dòng)其發(fā)展。

　　汽車(chē)MEMS傳感器所用材料從單晶硅、多晶硅、石英晶體向其它新型材料發(fā)展，例如，采用巨磁電阻材料研制用量很大的制動(dòng)防抱死系統的輪速傳感器，以期替代現在使用的變磁阻式傳感器。生產(chǎn)工藝上開(kāi)發(fā)出非硅基加工的微電火花加工、微電鑄、激光加工、表面貼裝等技術(shù)，硅基加工技術(shù)也有多種發(fā)展。

　　在國內，MEMS傳感器的基礎性科研開(kāi)發(fā)取得顯著(zhù)成果，但尚未具備大批量生產(chǎn)的能力，與國際上的產(chǎn)業(yè)化存在相當差距。國產(chǎn)汽車(chē)在2010年將達到600萬(wàn)輛的生產(chǎn)能力，所需用的傳感器多達百余種，發(fā)展前景誘人。從市場(chǎng)需求出發(fā)，結合多種力量，促進(jìn)汽車(chē)MEMS傳感器的產(chǎn)業(yè)化將是MEMS的一個(gè)重要方向，也是其科技轉化生產(chǎn)力的市場(chǎng)平臺。