MEMS传感器在汽车中的应用和工业发展

I. 简介

MEMS是在集成电路生产技术和特殊的微机电加工方法的基础上大力发展的一项高科技技术. 它的研究和开发主要集中在微传感器mems产业化，微致动器和微系统的三个方面，目前在MEMS市场上占主导地位. 传感器已形成一个产业. 用这种技术开发的各种微传感器具有体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，生产容易和成本低的优点，并且可以测量各种物理量，化学量和生物量. 在市场指导，技术推广，风险投资和政府干预等多重作用下，汽车MEMS传感器发展迅速，并已成为相关部门投资开发的热点. 在高端汽车中，大约使用25至40个MEMS传感器，并且该技术正变得越来越成熟和完善，可以满足苛刻的汽车环境，高可靠性，准确度和低成本的要求，这极大地促进了汽车的发展. 电子技术在汽车中的应用.

第二，压力传感器

汽车电子控制系统一直被视为MEMS压力传感器的主要应用领域之一，可用于测量进气歧管压力，大气压力，机油压力，轮胎压力等. 表1列出了一些主要用途

最流行的汽车MEMS压力传感器采用压阻力感测原理. 这是现有力感应传感器的最大数量. 它已经开发了几代产品，年产数千万. 这种传感器使用单晶硅作为材料，使用MEMS技术在材料中间制作一个力敏膜片，然后将杂质扩散到膜片上以形成4个应变电阻，然后将应变电阻连接到电路中由惠斯通电桥获得的高灵敏度，输出大多为0〜5V模拟，并且测量范围取决于力敏膜片的厚度. 可以同时在晶片上制造许多力敏芯片，易于批量生产，并且力敏芯片受温度影响. 性能由调节电路补偿.

据说汽车压力传感器是军用产品的质量和民用产品的价格. 环境实验要求非常严格（表2）. 封装好的传感器通过严格的环境测试后，一般可以保证F.S. 0.1％〜0.3％的稳定性. 即使经过最严格的长期测试，它仍然可以保持1％F.S.的稳定性. 信号调理电路以及校准和封装也是生产中极为关键的技术，其技术含量要比力敏芯片的生产更多. 例如，测量燃料喷射的压力传感器已经长时间与液体燃料接触并且受到高压. 组装和固定及安装尺寸的设计涉及大量的结构分析，机械应力测试，介质暴露测试，电路校正和其他技术.

目前，可以提供汽车MEMS压力传感器的公司有美国凯勒公司，Special Measurement公司，SSI公司，菲尔科公司，德州仪器公司，德国博世公司，日本电装公司等. 一般年产量超过一百万. 这就是汽车批量生产的需求，也是收回巨额投资的条件. 一些制造商已经成功开发了集成有力敏感芯片和信号处理电路的汽车MEMS压力传感器. 估计将来的价格将降低到5-7美元. 博世使用表面MEMS技术开发了一种小型化的硅质量流量传感器. 许多汽车制造商正在评估这种新传感器.

汽车电子控制的燃油喷射系统EFI使用多个压力MAP传感器来监控发动机进气歧管的绝对压力，提高其动力性能，减少燃油消耗，并减少废气排放. 微型硅压阻MEMS压力传感器可用于发动机排气循环系统，代替陶瓷电容式压力传感器. 汽车空调压缩机中的压力测量也是MEMS的大市场. 除了现有的各种应用之外，另一个有希望的市场是轮胎气压自动监控系统. MEMS压力传感器适用于任何类型的轮胎. 轮胎壁中嵌入了一个小的压敏芯片，可自动测量轮胎压力，温度，速度和其他数据，并使用特定代码发送. 目前，已经引入了许多实时轮胎压力监测系统，以保持轮胎良好的使用性能，提高安全系数，将制动距离缩短5-10％，并将燃油消耗降低约10％. 最近，随着凡世通争议的恢复，美国国会通过了一项法案，要求到2004年每辆汽车都必须配备胎压监测系统. 政府的干预为MEMS传感器打开了广阔的市场. 许多制造商正在为此竞争.

三，微型加速度计

微型加速度计通常由平行悬臂梁组成. 光束的一端固定在侧框架上，另一端悬挂着一个小的质量物体块（约10 mg）. 质量块在没有加速度且垂直方向上不移动. 在加速过程中，质量块移动，对加速度敏感，并转换为电信号，该电信号由C / V转换并由a放大. 相位敏感解调输出.

根据检测方法，存在多种类型的微加速度计，例如压阻式，电容式，隧道式，谐振式和热敏式. 其中，当发生加速度时，电容式微加速度计的质量会向下移动，并且距框架上另一个电极的距离会发生变化. 可以通过检测电容的变化来获得质量运动的位移. 主要结构分为悬臂摆型和梳形折叠梁型，并变异为其他类型. 前者的结构相对简单，并且在生产中也使用了体硅加工方法. 简单的摆结构由上下固定电极和可移动​​的敏感硅悬臂梁电极组成. 它被半导体平面技术各向异性腐蚀并被静电密封. 技术包装已完成. 后者可以看作是悬臂梁的并联和串联组合，设计要复杂得多，微加工方法主要基于表面牺牲层技术，多晶硅材料的各向同性性质可以确保微结构的对称性. 机械性能，批量加工精度高，采用这种结构的敏感部分尺寸很小，并实现了与电路的单片集成. 电容式微加速度计具有高灵敏度，低噪声，小漂移和结构简单的特点. 它们被广泛用于汽车安全气囊系统和防滑系统. 其检测范围和精度的性能指标为50g（重力加速度），200°/ s. ，500mg，10°/ s，100°/ s，1°/ s，用于气囊系统碰撞检测的微加速度计的检测范围为±30〜50g，精度为100mg，检测侧面碰撞为约250g或500g，防滑稳定性该系统的测量范围为±2g，精度为10mg.

微型加速度计商业化的最重要动力来自汽车行业. 最成功的是American Analog Devices的单片集成差分电容加速度传感器ADXL05和ADXL50系列，月产量为200万个. 美国摩托罗拉公司量产了用于汽车的MMAS40G电容式加速度计. 选择了双芯片设计和制造技术. 该包装是双列直插式或单列直插式塑料包装. 加速度测量范围为±40g. 美国EG＆G IC传感器公司已经建立了MEMS处理生产线. 它已经成功开发了3255和3000系列压阻式加速度计. 3255型主要用于汽车安全系统. 敏感芯片和信号自我护理芯片封装在表面安装的外壳中. 德国博世和日本电装也有类似产品. 微型加速度计正在取代以前的机电式加速度传感器，并随着汽车安全气囊系统的日益普及而高速增长.

四个微型机械陀螺仪

微机械陀螺仪是一种振动角速率传感器. 在汽车领域的应用开发中引起了极大的关注. 它主要用于汽车导航和汽车底盘控制系统的GPS信号补偿. 具有很大的应用潜力.

微机械陀螺仪有两种振动模式，一种是横向振动模式，即驱动振动模式，通常称为参考振动，在科里奥利力的作用下会产生额外的运动. 另一个是普通振动模式，即敏感振动模式，它检测反映科里奥利力的附加运动，并获得包含在科里奥利力中的角速度信息.

根据所用材料，将微机械陀螺仪分为石英和硅振动梁. 石英材料结构具有最高的品质因数Q值，最佳的陀螺仪特性和实用价值. 它是最早的产品. 北京，Delco公司使用MEMS技术批量生产单轴和三轴固态石英压电陀螺仪，可用于高端汽车，导航，飞机，航空航天和其他市场. 用于德国博世和日本松下的汽车角速率传感器的价格仅为25美元.

石英加工困难且成本高，并且不能满足汽车的低成本要求. 硅材料具有完整的结构和良好的弹性，并且相对容易获得高Q的微机械结构. 随着深反应离子刻蚀技术的出现，体硅微加工技术的加工精度得到了显着提高. 它由硅衬底上的多晶硅制成，适合批量生产，更易于驱动和测试，并已成为低成本研究和开发的主流. 从硅微机械陀螺仪的结构中，经常使用振动梁结构，双框架结构，平面对称结构mems产业化，横向音叉结构，梳状音叉结构，束岛结构等. 用于产生参考振动的驱动方法包括静电驱动和压力. 电驱动和电磁驱动等以及用于检测由于科里奥利力引起的附加振动的检测方法包括电容检测，压电检测和压阻检测. 静电驱动和电容检测的陀螺仪设计最为常见，并且已经成功开发了一些产品.

现有的硅微机械陀螺仪产品性能不高，精度一般在0.1°/ s的水平，仅能满足汽车应用的要求，但要获得大量的应用，是解决测量电路和封装稳定性和可靠性所必需的问题，例如性别和价格.

五，MEMS传感器的工业化

全球汽车电子和汽车计算机控制系统的兴起推动了汽车MEMS传感器的发展. 在汽车的所有系统中，几乎可以找到所有的MEMS. 汽车越好，使用的MEMS就越多. BMW740i汽车上有70多个MEMS. 德国海拉集团在欧洲售后市场提供250种汽车传感器. MEMS可以替代许多传感器. 据报道，2000年汽车MEMS传感器的销售额为12.6亿美元，预计2004年将增长到23.5亿美元. 有人预测其市场将会增长. 简而言之，它将进一步占据未来汽车传感器的更大份额.

MEMS传感器的高精度生产，高可靠性和低单价特别适合于汽车电子控制系统中的应用. 博世对其产品线的完整性感到自豪. 有超过35种型号的汽车MEMS传感器. 风险资本家仍然偏爱MEMS，被视为新兴产业. 在2001年第一季度，他们向MEMS公司投资了5.1亿美元. 一些新的MEMS工厂即将投入生产，一些半导体制造商也将陆续加入. 将进一步促进其发展.

用于汽车MEMS传感器的材料已经从单晶硅，多晶硅和石英晶体发展到其他新材料. 例如，巨大的磁阻材料已被用于开发用于制动防抱死制动系统的大量轮速传感器，以代替当前的用途. 可变磁阻传感器. 在生产过程中，已经开发了基于非硅的微EDM，微电铸，激光加工，表面安装等技术. 基于硅的处理技术也有很多发展.

在中国，MEMS传感器的基础科学研究和开发取得了显著成果，但尚未具备生产的能力，这与国际工业化有很大的不同. 到2010年，家用汽车的生产能力将达到600万辆，将需要一百多种传感器. 发展前景诱人. 从市场需求出发，结合多种力量推动汽车MEMS传感器的产业化，将是MEMS的重要方向，也是其提高生产率的技术市场平台.

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