MEMS即微电子机械系统,MEMS技术最早应用在汽车的安全气囊上。采用MEMS工艺制成的加速度计成本大约在5美元-10美元左右,仅这点与传统传感器价格大约50美元相比就具有非常大的优势,而且体积也要比传统传感器小得多。
安全气囊是应用基石
这种在安全气囊上应用最广泛的MEMS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10千克),无加速度时物体块不运动,而当有垂直方向的加速度时,质量块运动,对加速度敏感,并转换为电信号,经C/V转变、放大后解调输出。
按检测方式分,MEMS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折叠梁式,并可变化成其他类型。前者结构相对简单些,制作上也多采用硅体加工方法,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进行腐蚀,静电封接技术进行封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并串组合,设计上要复杂得多。多晶硅材料的各向同性可保证MEMS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,可以实现与外围电路的单片集成。电容式MEMS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已获得广泛应用。
车用传感器需要满足多项环境、可靠性和成本等方面的要求。具体来说,一方面必须能经受各种高低温、振动、冲击、潮湿、电磁干扰等不利因素的考验;另一方面也必须适于大批量生产,一般要达到每年一百万件以上的产量,这不仅是汽车量产的需求,也是收回设计和制造方面的巨额投资所必需的。此外,其可靠性也应与汽车高达10年/15万公里的使用寿命相一致。
MEMS传感器将成为首选
用于安全气囊的撞击传感器从简单的“球管”式传感器演化为MEMS加速度计,通过MEMS工艺在安全气囊上所体现的良好应用,人们逐渐发现了MEMS传感器的潜质,开始用MEMS传感器替代别的汽车部件中使用的传统传感器。比如在发动机电子控制系统中,由MEMS工艺所制造的压力传感器、温度传感器、位置传感器甚至氧传感器都有着相当广泛的应用前景;导航系统中所应用的车轮旋转传感器和速率陀螺也很有可能被MEMS机械陀螺所替代。
此外,人们还考虑在许多新开发的系统中采用MEMS传感器,价格、可靠性和体积等方面的优势将使MEMS传感器成为汽车中各种参数测量的首选产品。
目前这些优势已为实践所证实,车用MEMS传感器也已受到科研机构及厂商的高度重视。可以预言,未来5年-7年其研制、生产与应用的进程将获得高速增长。