剖析MEMS傳感器在汽車電子中的應(yīng)用

MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，它開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，其目標是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。

采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

不同功能的MEMS傳感器

MEMS傳感器的設(shè)計必須同時考慮多種物理場混合作用，相對于傳統(tǒng)的傳感器，它們的尺寸更小，基本是微納米級別。MEMS傳感器多采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路(IC)類似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝，進行大批量、低成本生產(chǎn)。

隨著新型半導(dǎo)體材料和MEMS加工工藝、敏感元件集成設(shè)計、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝的不斷突破，MEMS傳感器已經(jīng)衍生出眾多品種，其分類方法很多。按其工作原理，MEMS傳感器可以分為物理型MEMS傳感器、化學型MEMS傳感器以及生物型MEMS傳感器三類。其中，物理型MEMS傳感器是汽車上采用得最為普遍的傳感器，主要應(yīng)用于安全系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)( ABS )、發(fā)動機系統(tǒng)、行車導(dǎo)航、車輛監(jiān)護和自診斷等方面。目前，車用MEMS傳感器市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、化學傳感器、氣體傳感器和指紋識別傳感器等。

具體來說，MEMS壓力傳感器可以用來測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應(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。

車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測質(zhì)量組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是目前MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。

微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。目前，應(yīng)用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。例如汽車在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道。通常，它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。

如今，隨著MEMS傳感器越來越小，功能越來越多樣化，價格越來越低，設(shè)計和應(yīng)用空間也在不斷擴大。借助新型材料，如SiC、納米管、納米線、光導(dǎo)、超導(dǎo)和智能材料等開發(fā)出的各種新型MEMS傳感器，進一步提高了MEMS傳感器的精度和可靠性。

除了應(yīng)用在汽車電子中，它在消費類電子產(chǎn)品應(yīng)用市場的普及率也在不斷提高。MEMS技術(shù)正在發(fā)展成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，就像近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。