發布日期：2022-10-07 點擊率：64
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展起來的高新科技，其研究開發主要集中在微傳感器、微執行器和微系統三個方面，目前主導MEMS市場的傳感器已形成產業。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傳感器發展迅速，現已成為相關部門爭先投資開發的熱點。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。
一、壓力傳感器
汽車電子控制系統一直被認為是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。
最流行的汽車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，開發出幾代產品，年產量為數千萬只。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。其環境實驗要求是極為嚴格的。封裝好的傳感器通過嚴格的環境測試后，一般能保證0.1%~0.3%F.S.的穩定性，即使經受最嚴格的長時間測試，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EFI要使用多重壓力MAP傳感器，監測發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動機廢氣循環系統，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測系統，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、轉速和其它一些數據，并用特定的代碼發送出來。目前，已有不少實時胎壓監測系統問世，使輪胎始終保持良好的應用性能，可提高安全系數，縮短制動距離5~10%，并能降低油耗10%左右。最近，隨著燧石爭論（FirestoneControversy）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測系統，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。
二、微型加速度傳感器
微型加速度傳感器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C/V轉變、放大相敏解調輸出。
按檢測方式，微型加速度傳感器有壓阻式、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，實現與外圍電路的單片集成。電容式微型加速度傳感器的靈敏度高、噪音低、漂移小、結構簡單，在汽車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型加速度傳感器的檢測范圍為±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。
微型加速度傳感器商業化最重要的驅動力來自汽車工業，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電容式加速度傳感器，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MEAS傳感器公司建立了MEMS加工生產線，先后開發成功3255、3000系列壓阻式加速度傳感器，3255型主要用于汽車安全系統，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似產品。微型加速度傳感器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日趨普及而高速增長。
三、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，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、三軸固態石英壓電陀螺，可用于高檔汽車、導航、飛機、航天等市場上。
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，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定性、可靠性、價格等諸多問題。
四、MEMS傳感器的產業化
全球汽車電子化及汽車計算機控制系統的興起，推動了汽車MEMS傳感器的發展。在汽車上所有系統中，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，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工業組織，將會進一步推動其發展。
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的輪速傳感器，以期替代現在使用的變磁阻式傳感器。生產工藝上開發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展。
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