剖析MEMS传感器在汽车电子中的应用

MEMS技术是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，它开辟了一个全新的技术领域和产业，其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

不同功能的MEMS传感器

MEMS传感器的设计必须同时考虑多种物理场混合作用，相对于传统的传感器，它们的尺寸更小，基本是微纳米级别。MEMS传感器多采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产。

随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计、传感器结构设计与制造工艺的不断突破，MEMS传感器已经衍生出众多品种，其分类方法很多。按其工作原理，MEMS传感器可以分为物理型MEMS传感器、化学型MEMS传感器以及生物型MEMS传感器三类。其中，物理型MEMS传感器是汽车上采用得最为普遍的传感器，主要应用于安全系统、制动防抱死系统( ABS )、发动机系统、行车导航、车辆监护和自诊断等方面。目前，车用MEMS传感器市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、化学传感器、气体传感器和指纹识别传感器等。

具体来说，MEMS压力传感器可以用来测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用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四只应变电阻，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。

车用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。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是目前MEMS微加速度计中的主流产品。

微陀螺仪是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，主要有振动式、转子式等几种。目前，应用最多的属于振动陀螺仪，它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道。通常，它与低加速度计一起构成主动控制系统。

如今，随着MEMS传感器越来越小，功能越来越多样化，价格越来越低，设计和应用空间也在不断扩大。借助新型材料，如SiC、纳米管、纳米线、光导、超导和智能材料等开发出的各种新型MEMS传感器，进一步提高了MEMS传感器的精度和可靠性。

除了应用在汽车电子中，它在消费类电子产品应用市场的普及率也在不断提高。MEMS技术正在发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。