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MEMS傳感器在汽車電子的應用

MEMS技術是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的,它開辟了一個全新的技術領域和產業,其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起,組成具有多功能的微型系統,集成于大尺寸系統中,從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。

采用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、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、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。

MEMS傳感器在汽車電子中的應用

MEMS傳感器的設計必須同時考慮多種物理場混合作用,相對于傳統的傳感器,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,熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路(IC)類似的生成技術,可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝,進行大批量、低成本生產。

隨著新型半導體材料和MEMS加工工藝、敏感元件集成設計、傳感器結構設計與制造工藝的不斷突破,MEMS傳感器已經衍生出眾多品種,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。

MEMS傳感器在汽車電子中的應用

其中,物理型MEMS傳感器是汽車上采用得最為普遍的傳感器,主要應用于安全系統、制動防抱死系統( ABS )、發動機系統、行車導航、車輛監護和自診斷等方面。目前,車用MEMS傳感器市場的主導產品為壓力傳感器、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技術在材料中間制作成力敏膜片,然后在膜片上擴散雜質形成四只應變電阻,再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路,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典力學定律,通常由懸掛系統和檢測質量組成,通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測,主要用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等,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品。

微陀螺儀是一種角速率傳感器,主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統,主要有振動式、轉子式等幾種。目前,應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量塊在被基座帶動旋轉時產生的哥氏效應來感測角速度。例如汽車在轉彎時,系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位,主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道。通常,它與低加速度計一起構成主動控制系統。

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,設計和應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、超導和智能材料等開發出的各種新型MEMS傳感器,進一步提高了MEMS傳感器的精度和可靠性。

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


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