MEMS传感器在汽车中的应用研究及进展

李文平;顿文涛;李寅生;袁帅;李勉;马斌强;袁超

【摘 要】随着汽车智能化的快速发展和MEMS技术的深入研究，MEMS传感器在汽车电子产业中具有广阔的应用前景。本文针对MEMS汽车传感器的研究应用现状、主要MEMS汽车传感器的原理及应用等进行了简要阐述，最后对MEMS汽车传感器的发展趋势进行探讨及展望。%With the rapid development of automobile intelligentization and further research of MEMS technology, MEMS sensors have broad applications in the automotive electronics industry. Aiming at the application of MEMS sensors, several key principles and applications of MEMS sensors were briefly described. The development trend of automotive MEMS sensors was explored and prospected.

【期刊名称】《农业网络信息》

【年(卷),期】2015(000)007

【总页数】4页(P52-55)

【关键词】MEMS技术;汽车传感器;微机电系统

【作 者】李文平;顿文涛;李寅生;袁帅;李勉;马斌强;袁超

【作者单位】郑州天诚信息工程有限公司，河南 郑州 450003;河南农业大学，河南 郑州 450002;中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012;四川农业大学，四川 雅安 625014;河南农业大学，河南 郑州 450002;河南农业大学，河南 郑州 450002;河南农业大学，河南 郑州 450002

【正文语种】中 文

【中图分类】TP315

近年来，伴随汽车智能化的快速发展，汽车电子产业已成为汽车工业发展的重要核心技术。汽车传感器作为实现汽车智能化的重要前提，已成为当前汽车电子技术发展和研究的重要内容。同时，汽车传感器作为信号转换和获取装置，对汽车安全性、经济、舒适性等性能的影响也越来越重要[1～2]。

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写，MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻、微型化、智能化、多功能、高集成度、适于大批量生产和实现智能化等特点[3]。同时，在微米量级的特征尺寸使其可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、胎压监控(EPMS)、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等[4]。

随着各国政府全面推出更高标准的汽车安全规定以及汽车智能化的发展推动，MEMS传感器在汽车上得到了快速发展。汽车越高档，所使用的MEMS传感器越多。目前，汽车传感器中广泛使用的MEMS传感器主要有压力传感器、加速度计传感器、机械陀螺传感器、温度传感器等，这四类产品是汽车MEMS销售额的主要贡献者，几乎占了整个汽车MEMS市场销售额的99%[5～6]。然而这些传感器基本都是由德国博世、日本电装、日本Panasonic等国际传感器巨头所生产。近年来，国内许多科研单位，如清华大学、北京大学、中科院等有许多研究小组从事MEMS传感器的基础性研发，并取得了一定研究成果。

据IHS iSuppli公司的MEMS研究报告，2011年汽车MEMS销售额达到22亿美元，比2010年的19亿美元劲增16%。其五年增长率均在3%～12%。另外，人们在新开发的汽车电子系统中更多选择MEMS传感器，可靠性、体积和价格等优势使得MEMS传感器在汽车传感器应用领域中不断扩大[7]。随着现代微机械加工技术的进步，MEMS传感器由单个元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。以MEMS技术为基础的微型化、集成化、多功能化和智能化的传感器将逐步取代传统传感器，成为汽车传感器的支柱。

MEMS传感器主要是由微型机构、微型传感器、微型执行器和信号处理电路等几部分组成。在汽车应用系统中，MEMS传感器广泛应用于发动机运行管理、废气与空气质量控制、刹车防抱死系统、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全等系统中。按照其测量性质可划分为生物MEMS传感器、化学MEMS传感器和物理MEMS传感器[8]。生物MEMS汽车传感器主要对生物量的识别、密度和状态等进行测量，更多地应用于预测疲劳驾驶等汽车行驶安全领域；化学MEMS汽车传感器主要对化学液体成分、浓度和状态进行识别以及量化等；物理MEMS汽车传感器主要包括机械类传感器、声学类传感

器、电学类传感器、磁学类传感器、热学类传感器、化学类传感器、辐射类传感器等，是汽车上应用最为普遍的传感器，基本上在汽车电子控制的各个方面均有涉及。

2.1 MEMS压力传感器

汽车MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。主要用于检测气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等[9]。

典型的MEMS压力传感器管芯结构和电路原理，是以单晶硅作为材料，在结构中制作成力敏膜片，在膜片上混合杂质形成4只应变电阻，然后以惠斯顿电桥形式将4个应变电阻连接成电路，最终将压力转换为对应的模拟电信号[10]。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围为20～100kPa，其特点是输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好。压阻式压力传感器的性能则受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大批量生产；差动变压器式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；声表面波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨力高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作。

目前，生产MEMS汽车压力传感器的厂商主要有德州仪器、德国Bosch、ST、菲尔柯等。而随着汽车智能化的快速发展，MEMS汽车压力传感器的销量也将随之激增。随着技术的进步，未来将会出现越来越多的把力敏芯片与外围信号处理电路集成化的MEMS汽车压力传感器。

2.2 MEMS加速度传感器

微机械加速度传感器的种类很多，发展也很快。目前微机械加速度传感器按敏感原理不同主要有压阻式、电容式、压电式、谐振式和力平衡式等。常见的结构有三明治式、扭摆式和疏齿式等[11]。其中，电容式MEMS微加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小、结构简单等特点，是目前MEMS微加速度计设计的主流。

电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。

若活动电极到两固定电极间距为d0，根据电容计

算公式可知，当加速度传感器检测到加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的间距发生变化为△d。可得出：

（在△d远小于d时成立）。由此可得，电容和位移呈线性关系[12]。

MEMS加速度传感器在汽车安全气囊系统、汽车防盗系统、汽车电子导航及防滑系统中广泛应用[13]。在汽车安全气囊系统中，MEMS加速度计可以安装在不同的地方用来判断多个信息如识别碰撞的方向、类型、重力影响等，保证气囊系统做出明确的反映。在汽车防盗系统中，MEMS加速度用来做倾斜计，感测汽车相对地面的倾斜度。当汽车被盗拖动时，加速度计将检测到倾斜度的变化，从而报警。目前，汽车MEMS微加速度计的生产公司主要有ST、MEMSIC、ADI、飞思卡尔、BOSCH、EG&G IC Sensors和

VTI等。2.3MEMS陀螺传感器

随着各国对汽车安全性能要求越来越高，尤其北美和欧洲稳定性主控系统的安装率不断上升，汽车微机械陀螺仪的市场增长速度明显高于其它微传感器。微机械陀螺仪主要分为振动式和转子式。振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度；转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成，采用静电悬浮，并通过力短再平衡回路测出角速度。目前，应用最多的微机械陀螺是振动式陀螺。

MEMS陀螺传感器采用的物理现象是科里奥利效应，即当一个位于旋转系内的质量块m作朝向或远离旋转中心的运动时，将产生一个惯性力[14]。然后通过一个电容感应结构可以测到科里奥利效应最终产生的物理位移。假定质量块以相对坐标系速度v运动，旋转坐标系以角速度ω旋转。则由科里奥利效应产生科氏力可知科氏力与作用在质量块m上的输入角速度成正比，而哥氏力会引起质量块在y轴上产生位移，获得该信息也就是获得了输入角速度ω的信息。

振动式微机械陀螺仪在汽车上应用较多，主要用于汽车底盘控制系统、汽车导航的GPS信号补偿以及安全主动系统。目前，汽车MEMS微机械陀螺的生产公司主要有ADI、BEI、Amagasaki、飞思卡尔等。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[15]。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。然而，

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。

近年随着纳米技术、微电子技术等多学科的发展融合以及新型材料的应用，以MEMS技术为基础的新型汽车传感器将逐步取代传统的传感器成为汽车传感器的主流。随着MEMS技术的进一步发展，将会极大促进MEMS传感器在汽车领域的广泛应用，并朝着智能化、微型化、多功能化、集成化和低成本化方向发展[16]。

随着汽车电子工业的不断发展，MEMS传感器在汽车上的应用会越来越广泛，以下几点是未来发展关注的重点。

3.1 提高智能化和集成化

智能化是汽车行业未来发展趋势，而汽车的智能化归根结底为汽车传感器的智能化。因此，MEMS汽车传感器的智能化是未来的发展趋势。

3.2 提高性能及稳定性

MEMS技术传感器较普通CMOS电路传感器有很大不同，MEMS技术在汽车传感器上应用不能充分实现其功能，有待进一步提高。同时不断提高其实用性和可靠性，使更好更方便地应用在汽车上。

3.3 MEMS传感器与CMOS集成电路的结合

CMOS集成电路作为信号处理模块，有成熟的制造工艺。MEMS作为获取信号的微传感器和执行命令的微执行器，将二者集成到单芯片上，实现传感器、执行器、信号采集处理、控制电路一体化混合集成在一块三维硅片上，可极大地提高MEMS汽车传感器的智能化和集成化。与传统MEMS汽车传感器相比，具有以下优势：①利用CMOS成熟工艺的标准化规模效应，大大降低器件加工和封装成本；②高度集成化的嵌入式MEMS汽车传感器模块将极大缩短产品的开发周期和成本；③采用现有的成熟的CMOS工艺设计和制造材料，使MEMS汽车传感器具有更优异的性能和可靠性。

【相关文献】

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