MEMS传感器在汽车上的应用及产业化发展

一、引言

  MEMS是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，其研究开发主要集中在微传感器、微执行器和微系统三个方面，目前主导MEMS市场的传感器已形成产业。用此技术研制的五花八门的微传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易生产、成本低的优势，可以测量各种物理量、化学量及生物量。在市场引导、科技推动、风险投资、政府介入等多重作用下，汽车MEMS传感器发展迅速，现已成为相关部门争先投资开发的热点。在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，技术上日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。

二、压力传感器

     汽车电子控制系统一直被认为是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、大气压、油压、轮胎气压等，表1示出一些主要用途。
    最流行的汽车MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理，这是现有几种力敏传感器中用量最大的一种，开发出几代产品，年产量为数千万只。这种传感器用单晶硅作材料，以MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成4只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度，其输出大多为0~5V模拟量，测量范围取决于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，易于批量生产，力敏芯片受温度影响性能采用调理电路补偿。

    汽车用压力传感器被称为是军品的质量、民品的价格。其环境实验要求是极为严格的（表2）。封装好的传感器通过严格的环境测试后，一般能保证 0.1%~0.3%F.S.的稳定性，即使经受最严格的长时间测试，仍能维持1%F.S.的稳定性。信号调理电路和标定及封装也是生产中的极其关键技术，科技含量超过力敏芯片的制作。例如，测量燃油喷射的压力传感器长期与液态燃料接触，并承受高压，组装固定和安装尺寸的设计，涉及到大量的结构分析、机械应力测试、介质暴露测试、电路修正等技术。
    目前，可以提供汽车MEMS压力传感器的有美国凯乐尔、特种测量、SSI、菲尔科、德州仪器、德国博世、日本电装等公司，一般年产量在100万只以上，这是汽车量产的需求，也是回收巨额投资的条件。部分厂家已研制成功力敏芯片与外围信号处理电路集成化的汽车MEMS压力传感器，估计今后的价格会降至5~7 美元。博世公司采用表面MEMS技术，研制出微型化的硅质量流量传感器，很多汽车厂家正对这种新型传感器进行评估。
    汽车电控燃油喷射系统EFI要使用多重压力MAP传感器，监测发动机进气歧绝对压力，提高其动力性能，降低油耗，减少废气排放。微型硅压阻式MEMS压力传感器可用于发动机废气循环系统，替代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的一个很大市场。除现有的各种应用外，另一个极具市场前景的是轮胎气压自动监测系统，MEMS压力传感器适合于任何类型的轮胎，在轮胎胎壁埋设一小块感压力敏芯片，自动测量轮胎气压、温度、转速和其它一些数据，并用特定的代码发送出来。目前，已有不少实时胎压监测系统问世，使轮胎始终保持良好的应用性能，可提高安全系数，缩短制动距离5~10%，并能降低油耗10%左右。最近，随着燧石争论（Firestone Controversy）的复苏，美国国会通过一项法案，要求到2004年每一辆汽车都要装用车胎压力监测系统，政府的介入为MEMS传感器开启了更广阔的市场，许多厂家正为此展开角逐。

三、微加速度计

    微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个小质量物体块（约10mg），无加速度时质量块不运动，而当有垂直方向加速度时，质量块运动，对加速度敏感，并转换为电信号，经C/V转变、放大相敏解调输出。
    按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。其中，电容式微加速度计质量块在有加速度时向下运动，与边框上的另一个电极的距离发生变化，通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移，主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状的折叠梁式，并变异成其它类型。前者结构相对简单些，制作上也多采用体硅加工方法，简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成，用半导体平面工艺各向异性腐蚀，静电封接技术封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并、串组合，设计上要复杂得多，微加工方法则以表面牺牲层技术为主，多晶硅材料的各向同性性质可保证微机械性能的对称性，批量加工精度高，采用这种结构的敏感部分尺寸做得很小，实现与外围电路的单片集成。电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单，在汽车安全气囊系统和防滑系统获得广泛应用，其检测范围与准确度的性能指标分别为50g（重力加速度），200°/s、500mg、10°/s、100°/s、1°/s，安全气囊系统检测碰撞的微加速度计的检测范围为±30~50g，精度100mg，检测侧面碰撞大约为250g或500g，防滑稳定系统的测量范围±2g，精度10mg。
    微加速度计商业化最重要的驱动力来自汽车工业，最成功的是美国模拟器件公司的ADXL05和ADXL50系列单片集成差动电容式加速度计，现月产量达到 200万只。美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式加速度计，选择双芯片设计制作技术，封装为双列直插式或单列直插式塑封，加速度测量范围±40g。美国EG&G IC传感器公司建立了MEMS加工生产线，先后开发成功3255、3000系列压阻式加速度计，3255型主要用于汽车安全系统，敏感芯片与信号自理芯片封装在表面贴装的外壳内。德国博世、日本电装公司也有类似产品。微加速度计正替代以往的机电式加速度传感器，并伴随着汽车安全气囊系统日趋普及而高速增长。

四、微机械陀螺

    微机械陀螺是一种振动式角速率传感器，在汽车领域的应用开发倍受关注，主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，应用潜力极大。
    微机械陀螺中有两个振动模式，一个是横向振动模式，即驱动振动模式，通常称为参考振动，在科氏力作用下会产生附加运动；另一个是法向振动模式，即敏感振动模式，对反映科氏力的附加运动的检测，获得包含在科氏力中的角速率信息。
    按所用材料，微机械陀螺分为石英和硅振动梁两类，石英材料结构的品质因数Q值最高，陀螺特性最好，有实用价值，是最早产品化的，美国德尔科、BEI公司采用MEMS技术，批量生产单轴、三轴固态石英压电陀螺，可用于高档汽车、导航、飞机、航天等市场上。德国博世、日本松下的汽车用角速率传感器的单只售价 25美元。
    石英加工难度大，成本很高，无法满足汽车的低成本要求。硅材料结构完整，弹性好，比较容易得到高Q值的微机械结构，随着深反应离子刻蚀技术的出现，体硅微机械加工技术的加工精度显著提高，在硅衬底上用多晶硅制作适宜批量生产，驱动和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流。从硅微机械陀螺的结构上，常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等，用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由于科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、电容检测的陀螺设计最为常见，已有部分产品研制成功。
    现有的硅微机械陀螺产品的性能不高，精度一般在0.1°/s的水平，只能满足汽车应用要求，但要获得大量应用，还需解决测量电路和封装稳定性、可靠性、价格等诸多问题。

五、MEMS传感器的产业化

    全球汽车电子化及汽车计算机控制系统的兴起，推动了汽车MEMS传感器的发展。在汽车上所有系统中，几乎都能找到MEMS的用武之地，车越好，所用的MEMS就越多。BMW740i汽车上就有70多只MEMS，德国海拉集团在欧洲售后市场提供250种汽车传感器，很多传感器可用MEMS替代。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，有人预测其市场增长更大，总之，在今后的汽车传感器中会进一步占有更大的份额。
    MEMS传感器的大批量高精度生产和高可靠性及单价廉价，特别适宜在汽车电控系统中应用，博世公司以产品系列完整性而引以为荣，汽车MEMS传感器超过 35种型号。风险投资家依然青睐MEMS，被视为新兴工业，2001年1季度对MEMS公司投资5.1亿美元，一些新建MEMS工厂即将投入生产，另一些半导体厂家也将相继加盟，美国已成立MEMS工业组织，将会进一步推动其发展。
    汽车MEMS传感器所用材料从单晶硅、多晶硅、石英晶体向其它新型材料发展，例如，采用巨磁电阻材料研制用量很大的制动防抱死系统的轮速传感器，以期替代现在使用的变磁阻式传感器。生产工艺上开发出非硅基加工的微电火花加工、微电铸、激光加工、表面贴装等技术，硅基加工技术也有多种发展。
    在国内，MEMS传感器的基础性科研开发取得显著成果，但尚未具备大批量生产的能力，与国际上的产业化存在相当差距。国产汽车在2010年将达到600万辆的生产能力，所需用的传感器多达百余种，发展前景诱人。从市场需求出发，结合多种力量，促进汽车MEMS传感器的产业化将是MEMS的一个重要方向，也是其科技转化生产力的市场平台。