MEMS汽車傳感器設計關鍵技術

遲亞海 周元超

四川交通職業技術學院 四川省成都市 611130

汽車傳感器設計是汽車生產較為重要環節，對于汽車的整體性能的提高有著直接的影響。隨著社會的快速發展，對汽車傳感器的性價比也提出了更高的要求，從設計的理念、原則等角度出發，對設計技術進行更好的優化成為發展的關鍵。因此，加強對MEMS汽車傳感器設計關鍵技術的研究具有很大的現實意義，發現當前技術中存在的不足，提出針對性的指導建議，在保證傳感器性能滿足要求的同時，降低生產陳本，取得更好的競爭優勢。

1 MEMS系統設計基本理論

1.1 MEMS設計技術

MEMS設計技術的綜合性是比較強，涵蓋各個方面的內容，不僅需要有相應的概念設計作為指導，還需要相應的計算機提供服務，從而對數據進行更好的分析。MEMS產品設計的后續加工與測試工作的進行也在設計技術涵蓋的范圍之內，設計技術對整體的產品性能發揮著關鍵性的作用。相較于加工技術，MEMS設計技術有著更高的要求，其輔助機械與技術是非常重要的，尤其是計算機輔助設計的應用。MEMS設計技術在當前的發展中更為趨向于自動化、智能化，滿足時代多元化發展的需求，提高產品設計的效率，更好的拓展市場，也實現產品設計的實用性。

1.2 MEMS設計方法

設計方法是設計工作的基礎，其不僅是設計理念的充分體現，也是對設計行為的基本規范。MEMS設計技術的重點主要體現非電信號與電信號、電能與機械能等能量之間的轉換，對MEMS系統設計有著較大的影響。MEMS設計方法主要有三種，一是有限元FEM，另一個是邊界元BEM，有限差分也是數值分析方法之一。系統級設計、器件級設計、工藝級設計是不同的設計手段要求，其難度層次逐級遞減。

首先，系統級設計的整體性是比較強的，需要綜合各個方面的內容進行分析，數值分析法在其中的應用具有一定的局限性，其設計方法的優化更加趨向于簡單動態模型的構建，減少了MEMS設計技術中多種能量之間的轉換。器件級設計是較為單一的，有著針對性的研究對象，但是需要進行大量的數據分析。在實際的產品設計中，可以加強數值分析法在器件級設計中的應用，通過大量信息數據的收集提供更為扎實的理論依據。但是，需要重點注意數值分析法在具體應用中存在的局限性，所需時間較長，需要進行重點的優化。工藝級設計與硅機械加工技術有著緊密的聯系，主要進行精密的加工，對尺寸進行精密的計算與優化。在當前的發展過程中，MEMS設計技術一般涉及毫米到微米加工環節，而且MEMS封裝技術和集成版圖設計也有著較大的優勢，設計工藝比較成熟，可以大大提高版圖設計的效率與封裝的成本，給汽車傳感器性能的提高也帶來更大的優勢。

2 MEMS汽車傳感器設計關鍵技術

2.1 MEMS汽車傳感器的智能集成設計

在技術發展的推動下，汽車傳感器的廣泛應用給汽車帶來了很大的提升空間，也使得汽車各方面的性能得到了很大的提高。MEMS汽車傳感器的智能集成設計，主要是從傳感器的各項指標出發的，對傳感器的使用性能進行優化，提高其穩定性、安全性。MEMS汽車傳感器的智能集成設計是綜合MEMS技術、集成化和智能化為一體的。

首先，MEMS技術是從傳感器基本框架模型出發的，對系統進行整體性的開發，通過對系統內部結構的優化，提高系統的可用性。在實際的操作過程中，MEMS技術對系統的優化采取自上而下的方法。第一步，對汽車傳感器的系統需求、特性、加工性能進行分析與了解，從而得出系統設計的基本方向。第二步，系統設計需要將傳感單元設計與信號評測電路設計相結合，進行機械布局與電子布局，這是系統設計的基本框架。第三步，對機械布局與電子布局進行整合，形成整體性布局，完成系統開發的基本流程。在系統設計的過程中，需要注意每個步驟之間都有一定的聯系，自上而下進行，同時也自下而上的進行信息的反饋，發現在設計環節存在的缺陷，進行及時的調整。其次，是傳感器智能化模型的構建，對系統的功能進行相應的調配，實現各個功能具體的分工。智能汽車傳感器系統軟硬件實現的完成，可以充分體現性能的整體優勢。最后，汽車傳感器系統的具體應用，采用多傳感器信息融合算法，并且結合人工智能，實現汽車傳感器的自動化與智能化處理。

2.2 MEMS多域耦合和仿真分析

微器件包含多種類型，是微機電系統的重要組成部分。MEMS技術設計的范圍是比較廣泛的，其能量之間的轉換，對于光學、物理學、化學等領域都有一定的深入研究。結構動力學、熱傳輸學、流動動力學和電磁學是MEMS系統學科交叉，不同的組合方式形成了不同的應用原理，如熱激勵響應熱致動器、微致冷器流量和熱傳感器等。MEMS多域耦合是一個較為復雜的系統，對系統設計的科學性、合理性有著較高的要求，保證物理域綜合可以正常運行。電域、結構力學域、熱域、流體域是常見的多域耦合效應，電域與熱域、結構力學域之間有一定的關系，而結構力學域、熱域與流體域之間也有一定的關系，通過關系交合實現能量轉換。在MEMS多域耦合中，需要重點關注各個領域的特性，進行針對性的分析優化，通過調整達到平衡狀態。能量場分為保守能量場、非保守能量場兩種，保守能量場能量是守恒的，非保守能量場會存在能量的損耗，需要用解析法進行單獨的運算求解。MEMS多域耦合在多物理域的條件下，運算具有一定的難度，此時可以利用降價法進行處理，綜合多方面的情況進行求解，從而實現高效精確的求解，取得更好的效果。耦合MEMS器件的動態仿真也是存在的問題之一，采用降價法進行處理有利于模型的構建，也可以形成更為整體性的系統。微機電系統設計的模擬主要分為系統級模擬、基于能量的宏模型和器件級模擬，有著具體的層次劃分，相應的也有不同的要求。

2.3 面向MEMS的多學科優化設計和算法

MESE設計的關鍵在于多學科之間的交叉，通過不同的材料加工與方法進行綜合，實現多物理域的協調，從而使得MEMS多域耦合更好的配合運行。MEMS系統設計的復雜性較高，對于各方面工作的進行有一定的難度，在實際的操作中可以通過層級系統、非層級系統和混合層級系統等進行具體的劃分，從而可以進行細化研究。層級系統以分級的方式進行劃分，其形成一種樹狀結構，其系統構造較為簡單。非層級系統是網狀結構，多物理域相互之間的聯系緊密，形成不同的交互關系。混合層級系統是樹狀與網狀的混合，對于系統的劃分有著更大的優勢，在MEMS優化設計中的應用是比較廣泛的。MEMS系統的優化主要分為四個框架，分別是系統結構、封裝子系統、非MEMS子系統詳細設計、器件結構。對于非MEMS子系統詳細設計和封裝子系統需要進行重點的詳細設計，器件結構也需要關注生產成本和驅動方式，從加工工藝的提高等方面入手，提高系統的性能與安全。MEMS多學科優化設計是根據其系統的復雜性進行的，多個領域的交叉配合，對方案設計也提出了更高的要求，通過對子系統的優化，并且以其為基礎進行系統的整合，充分體現子系統的優勢。在系統的優化設計中，子系統既可以獨立運行，也可以結合進行，實現信息更好的交流，為數據的分析提供更多的理論依據。

2.4 MEMS加速度計設計與優化

加速度計主要用于測量慣性的大小，進而分析傳感器加速度的大小與運行的安全性。慣性大小與物體的質量、加速度有著直接的聯系，成正比關系，質量相等時，加速度越大，物體的慣性也就越大。因此，對于MEMS加速度計設計與優化可以從質量方面進行控制，進而改變物體所受到的力的大小。在MEMS加速度計設計中，可以采取梳齒式MEMS加速度計，可以有效的降低加速度計的有諧振頻率存在的弊端，提高加速度計測量的精確度。通過梳齒式MEMS加速度計對系統進行優化，在一定程度上提高了系統的穩定性。在實際的操作中，對于MEMS加速度計整體性能的提高，可以從結構、阻尼、驅動與檢測電路、加工工藝等方面出發，進而詳細的分析，改善存在的實際缺陷。在加速度計設計與優化的過程中，也需要重點注意整體性的優化效果，選擇合理的算法，實現多領域的交叉配合。

3 結語

MEMS技術在汽車傳感器設計中的應用取得了很大的成效，改善了傳統傳感器中存在的不足，從不同的角度進行深入的分析，結合各個領域的特點，實現多領域更好的結合。MEMS汽車傳感器設計技術的優化，還需要考慮材料、結構、制作工藝等方面的提高，從系統內部結構出發，對系統的性能進行整體性的提高，也使得系統的運行穩定性更高，滿足實用化發展的要求，取得更好的效果。