MEMS傳感器在汽車上的應用及產業(yè)化發(fā)展

一、引言

? MEMS是在集成電路生產技術和專用的微機電加工方法的基礎上蓬勃發(fā)展起來的高新科技，其研究開發(fā)主要集中在微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)三個方面，目前主導MEMS市場的傳感器已形成產業(yè)。用此技術研制的五花八門的微傳感器具有體積小、質量輕、響應快、靈敏度高、易生產、成本低的優(yōu)勢，可以測量各種物理量、化學量及生物量。在市場引導、科技推動、風險投資、政府介入等多重作用下，汽車MEMS傳感器發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為相關部門爭先投資開發(fā)的熱點。在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，技術上日趨成熟完善，可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求，極大地推動了電子技術在汽車上的應用。

二、壓力傳感器

???? 汽車電子控制系統(tǒng)一直被認為是MEMS壓力傳感器的主要應用領域之一，可用于測量進氣歧管壓、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MEMS壓力傳感器采用壓阻式力敏原理，這是現(xiàn)有幾種力敏傳感器中用量最大的一種，開發(fā)出幾代產品，年產量為數(shù)千萬只。這種傳感器用單晶硅作材料，以MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質形成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，一枚晶片上可同時制作許多個力敏芯片，易于批量生產，力敏芯片受溫度影響性能采用調理電路補償。

??? 汽車用壓力傳感器被稱為是軍品的質量、民品的價格。其環(huán)境實驗要求是極為嚴格的（表2）。封裝好的傳感器通過嚴格的環(huán)境測試后，一般能保證 0.1%~0.3%F.S.的穩(wěn)定性，即使經(jīng)受最嚴格的長時間測試，仍能維持1%F.S.的穩(wěn)定性。信號調理電路和標定及封裝也是生產中的極其關鍵技術，科技含量超過力敏芯片的制作。例如，測量燃油噴射的壓力傳感器長期與液態(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、介質暴露測試、電路修正等技術。
??? 目前，可以提供汽車MEMS壓力傳感器的有美國凱樂爾、特種測量、SSI、菲爾科、德州儀器、德國博世、日本電裝等公司，一般年產量在100萬只以上，這是汽車量產的需求，也是回收巨額投資的條件。部分廠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MEMS壓力傳感器，估計今后的價格會降至5~7 美元。博世公司采用表面MEMS技術，研制出微型化的硅質量流量傳感器，很多汽車廠家正對這種新型傳感器進行評估。
??? 汽車電控燃油噴射系統(tǒng)EFI要使用多重壓力MAP傳感器，監(jiān)測發(fā)動機進氣歧絕對壓力，提高其動力性能，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)動機廢氣循環(huán)系統(tǒng)，替代陶瓷電容式壓力傳感器，汽車空調壓縮機中的壓力測量也是MEMS的一個很大市場。除現(xiàn)有的各種應用外，另一個極具市場前景的是輪胎氣壓自動監(jiān)測系統(tǒng)，MEMS壓力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設一小塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、溫度、轉速和其它一些數(shù)據(jù)，并用特定的代碼發(fā)送出來。目前，已有不少實時胎壓監(jiān)測系統(tǒng)問世，使輪胎始終保持良好的應用性能，可提高安全系數(shù)，縮短制動距離5~10%，并能降低油耗10%左右。最近，隨著燧石爭論（Firestone Controversy）的復蘇，美國國會通過一項法案，要求到2004年每一輛汽車都要裝用車胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，政府的介入為MEMS傳感器開啟了更廣闊的市場，許多廠家正為此展開角逐。

三、微加速度計

??? 微加速度計通常由一個平行的懸臂梁構成，梁的一端固定在邊框架上，另一端懸掛一個小質量物體塊（約10mg），無加速度時質量塊不運動，而當有垂直方向加速度時，質量塊運動，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量塊在有加速度時向下運動，與邊框上的另一個電極的距離發(fā)生變化，通過檢測電容的變化可獲得質量塊運動的位移，主要結構分為懸臂擺片式和梳齒狀的折疊梁式，并變異成其它類型。前者結構相對簡單些，制作上也多采用體硅加工方法，簡單的擺片式結構由上、下固定電極和可動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為主，多晶硅材料的各向同性性質可保證微機械性能的對稱性，批量加工精度高，采用這種結構的敏感部分尺寸做得很小，實現(xiàn)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、結構簡單，在汽車安全氣囊系統(tǒng)和防滑系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定系統(tǒng)的測量范圍±2g，精度10mg。
??? 微加速度計商業(yè)化最重要的驅動力來自汽車工業(yè)，最成功的是美國模擬器件公司的ADXL05和ADXL50系列單片集成差動電容式加速度計，現(xiàn)月產量達到 200萬只。美國摩托羅拉公司批量生產汽車用MMAS40G電容式加速度計，選擇雙芯片設計制作技術，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加工生產線，先后開發(fā)成功3255、3000系列壓阻式加速度計，3255型主要用于汽車安全系統(tǒng)，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似產品。微加速度計正替代以往的機電式加速度傳感器，并伴隨著汽車安全氣囊系統(tǒng)日趨普及而高速增長。

四、微機械陀螺

??? 微機械陀螺是一種振動式角速率傳感器，在汽車領域的應用開發(fā)倍受關注，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，應用潛力極大。
??? 微機械陀螺中有兩個振動模式，一個是橫向振動模式，即驅動振動模式，通常稱為參考振動，在科氏力作用下會產生附加運動；另一個是法向振動模式，即敏感振動模式，對反映科氏力的附加運動的檢測，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梁兩類，石英材料結構的品質因數(shù)Q值最高，陀螺特性最好，有實用價值，是最早產品化的，美國德爾科、BEI公司采用MEMS技術，批量生產單軸、三軸固態(tài)石英壓電陀螺，可用于高檔汽車、導航、飛機、航天等市場上。德國博世、日本松下的汽車用角速率傳感器的單只售價 25美元。
??? 石英加工難度大，成本很高，無法滿足汽車的低成本要求。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，隨著深反應離子刻蝕技術的出現(xiàn)，體硅微機械加工技術的加工精度顯著提高，在硅襯底上用多晶硅制作適宜批量生產，驅動和檢測較為方便，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、平面對稱結構、橫向音叉結構、梳狀音叉結構、梁島結構等，用來產生參考振動的驅動方式有靜電驅動、壓電驅動和電磁驅動等，而檢測由于科氏力帶來的附加振動的檢測方式有電容檢測、壓電檢測、壓阻檢測。靜電驅動、電容檢測的陀螺設計最為常見，已有部分產品研制成功。
??? 現(xiàn)有的硅微機械陀螺產品的性能不高，精度一般在0.1°/s的水平，只能滿足汽車應用要求，但要獲得大量應用，還需解決測量電路和封裝穩(wěn)定性、可靠性、價格等諸多問題。

五、MEMS傳感器的產業(yè)化

??? 全球汽車電子化及汽車計算機控制系統(tǒng)的興起，推動了汽車MEMS傳感器的發(fā)展。在汽車上所有系統(tǒng)中，幾乎都能找到MEMS的用武之地，車越好，所用的MEMS就越多。BMW740i汽車上就有70多只MEMS，德國海拉集團在歐洲售后市場提供250種汽車傳感器，很多傳感器可用MEMS替代。據(jù)報道，2000年汽車MEMS傳感器的銷售額為12.6億美元，預計2004年將增長到23.5億美元，有人預測其市場增長更大，總之，在今后的汽車傳感器中會進一步占有更大的份額。
??? MEMS傳感器的大批量高精度生產和高可靠性及單價廉價，特別適宜在汽車電控系統(tǒng)中應用，博世公司以產品系列完整性而引以為榮，汽車MEMS傳感器超過 35種型號。風險投資家依然青睞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工廠即將投入生產，另一些半導體廠家也將相繼加盟，美國已成立MEMS工業(yè)組織，將會進一步推動其發(fā)展。
??? 汽車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防抱死系統(tǒng)的輪速傳感器，以期替代現(xiàn)在使用的變磁阻式傳感器。生產工藝上開發(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，硅基加工技術也有多種發(fā)展。
??? 在國內，MEMS傳感器的基礎性科研開發(fā)取得顯著成果，但尚未具備大批量生產的能力，與國際上的產業(yè)化存在相當差距。國產汽車在2010年將達到600萬輛的生產能力，所需用的傳感器多達百余種，發(fā)展前景誘人。從市場需求出發(fā)，結合多種力量，促進汽車MEMS傳感器的產業(yè)化將是MEMS的一個重要方向，也是其科技轉化生產力的市場平臺。