汽車MEMS傳感器應(yīng)用及發(fā)展

一、引言

  MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)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(gè)方面，目前主導(dǎo)MEMS市場的傳感器已形成產(chǎn)業(yè)。用此技術(shù)研制的五花八門的微傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)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。在市場引導(dǎo)、科技推動、風(fēng)險(xiǎn)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(guān)部門爭先投資開發(fā)的熱點(diǎn)。在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，技術(shù)上日趨成熟完善，可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準(zhǔn)確、成本低的要求，極大地推動了電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。

二、壓力傳感器

     汽車電子控制系統(tǒng)一直被認(rèn)為是MEMS壓力傳感器的主要應(yīng)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(chǎn)品，年產(chǎn)量為數(shù)千萬只。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(kuò)散雜質(zhì)形成4只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)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(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(diào)理電路補(bǔ)償。
    汽車用壓力傳感器被稱為是軍品的質(zhì)量、民品的價(jià)格。其環(huán)境實(shí)驗(yàn)要求是極為嚴(yán)格的（表2）。封裝好的傳感器通過嚴(yán)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(yán)格的長時(shí)間測試，仍能維持1%F.S.的穩(wěn)定性。信號調(diào)理電路和標(biāo)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(shè)計(jì)，涉及到大量的結(jié)構(gòu)分析、機(jī)械應(yīng)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(chǎn)量在100萬只以上，這是汽車量產(chǎn)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(jì)今后的價(jià)格會降至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，很多汽車廠家正對這種新型傳感器進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)廢氣循環(huán)系統(tǒng)，替代陶瓷電容式壓力傳感器，汽車空調(diào)壓縮機(jī)中的壓力測量也是MEMS的一個(gè)很大市場。除現(xiàn)有的各種應(yīng)用外，另一個(gè)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(shè)一小塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、溫度、轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)問世，使輪胎始終保持良好的應(yīng)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(fù)蘇，美國國會通過一項(xiàng)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(jì)

    微加速度計(jì)通常由一個(gè)平行的懸臂梁構(gòu)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），無加速度時(shí)質(zhì)量塊不運(yùn)動，而當(dāng)有垂直方向加速度時(shí)，質(zhì)量塊運(yùn)動，對加速度敏感，并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)C/V轉(zhuǎn)變、放大相敏解調(diào)輸出。
    按檢測方式，微加速度計(jì)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(jì)質(zhì)量塊在有加速度時(shí)向下運(yùn)動，與邊框上的另一個(gè)電極的距離發(fā)生變化，通過檢測電容的變化可獲得質(zhì)量塊運(yùn)動的位移，主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由上、下固定電極和可動敏感硅懸臂梁電極組成，用半導(dǎo)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(shè)計(jì)上要復(fù)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(jī)械性能的對稱性，批量加工精度高，采用這種結(jié)構(gòu)的敏感部分尺寸做得很小，實(shí)現(xiàn)與外圍電路的單片集成。電容式微加速度計(jì)的靈敏度高、噪音低、漂移小、結(jié)構(gòu)簡單，在汽車安全氣囊系統(tǒng)和防滑系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，其檢測范圍與準(zhǔn)確度的性能指標(biāo)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(jì)的檢測范圍為±30~50g，精度100mg，檢測側(cè)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(jì)商業(yè)化最重要的驅(qū)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(jì)，現(xiàn)月產(chǎn)量達(dá)到200萬只。美國摩托羅拉公司批量生產(chǎn)汽車用MMAS40G電容式加速度計(jì)，選擇雙芯片設(shè)計(jì)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，先后開發(fā)成功3255、3000系列壓阻式加速度計(jì)，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(nèi)。德國博世、日本電裝公司也有類似產(chǎn)品。微加速度計(jì)正替代以往的機(jī)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(jī)械陀螺

    微機(jī)械陀螺是一種振動式角速率傳感器，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)倍受關(guān)注，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號補(bǔ)償和汽車底盤控制系統(tǒng)，應(yīng)用潛力極大。
    微機(jī)械陀螺中有兩個(gè)振動模式，一個(gè)是橫向振動模式，即驅(qū)動振動模式，通常稱為參考振動，在科氏力作用下會產(chǎn)生附加運(yùn)動；另一個(gè)是法向振動模式，即敏感振動模式，對反映科氏力的附加運(yùn)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(jī)械陀螺分為石英和硅振動梁兩類，石英材料結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)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，美國德爾科、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、導(dǎo)航、飛機(jī)、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(jià)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(jié)構(gòu)完整，彈性好，比較容易得到高Q值的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，隨著深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，體硅微機(jī)械加工技術(shù)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(chǎn)，驅(qū)動和檢測較為方便，成為當(dāng)前低成本研發(fā)的主流。從硅微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)上，常采用振梁結(jié)構(gòu)、雙框架結(jié)構(gòu)、平面對稱結(jié)構(gòu)、橫向音叉結(jié)構(gòu)、梳狀音叉結(jié)構(gòu)、梁島結(jié)構(gòu)等，用來產(chǎn)生參考振動的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動和電磁驅(qū)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(qū)動、電容檢測的陀螺設(shè)計(jì)最為常見，已有部分產(chǎn)品研制成功。
    現(xiàn)有的硅微機(jī)械陀螺產(chǎn)品的性能不高，精度一般在0.1°/s的水平，只能滿足汽車應(yīng)用要求，但要獲得大量應(yīng)用，還需解決測量電路和封裝穩(wěn)定性、可靠性、價(jià)格等諸多問題。

五、MEMS傳感器的產(chǎn)業(yè)化

    全球汽車電子化及汽車計(jì)算機(jī)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(tuán)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(bào)道，2000年汽車MEMS傳感器的銷售額為12.6億美元，預(yù)計(jì)2004年將增長到23.5億美元，有人預(yù)測其市場增長更大，總之，在今后的汽車傳感器中會進(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)，特別適宜在汽車電控系統(tǒng)中應(yīng)用，博世公司以產(chǎn)品系列完整性而引以為榮，汽車MEMS傳感器超過35種型號。風(fēng)險(xiǎn)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(chǎn)，另一些半導(dǎo)體廠家也將相繼加盟，美國已成立MEMS工業(yè)組織，將會進(jìn)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(chǎn)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(shù)，硅基加工技術(shù)也有多種發(fā)展。
    在國內(nèi)，MEMS傳感器的基礎(chǔ)性科研開發(fā)取得顯著成果，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(dāng)差距。國產(chǎn)汽車在2010年將達(dá)到600萬輛的生產(chǎn)能力，所需用的傳感器多達(dá)百余種，發(fā)展前景誘人。從市場需求出發(fā)，結(jié)合多種力量，促進(jìn)汽車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(zhuǎn)化生產(chǎn)力的市場平臺。