淺談MEMS傳感器在汽車電子中的應用

劉學軍，馬世輝

（河南工學院，河南 新鄉 453000）

引言

當下汽車的性能不斷提升，而這主要得益于汽車電子的迅速發展，而對汽車電子起核心作用的元件當屬傳感器。MEMS傳感器是當下應用于汽車電子當中的主流傳感器，其類型多樣，測量范圍廣泛，包括力學量、磁學量、熱學量、化學量與微生物等，有效提高了汽車傳感器的性能，促進了汽車電子的進步，進而推動了汽車行業智能化的進一步發展。

1 MEMS傳感器的分類與工作原理

1.1 MEMS的分類

MEMS，全稱“Micro-Electro-Mechanical Systems”，即微機電系統，是一種利用微電子與微機械加工技術共同制造出來的新型的傳感器。相比于傳統的傳感器，其體積小，重量更輕，具微型化、智能化、多功能、集成度高、能大批量生產等特征，且其于微米量級尺寸下即可完成一些傳統傳感器無法完成的任務。MEMS廣泛應用于汽車電子當中，包括防抱死系統、車身穩定程序、電控懸掛、電動手剎、引擎防攔、車輛傾角計量等[1]。伴隨汽車行業的不斷發展，各國政府對于汽車的安全性提出了更高標準，也不斷鼓勵汽車的智能化發展，由此，MEMS傳感器在汽車子當中得到了迅速發展。

依傳感器所處的控制系統，MEMS傳感器可分為發動機控制傳感器、底盤控制傳感器、車身控制傳感器及電氣設備傳感器四類；依傳感器的測量原理，MEMS傳感器可分為力學量傳感器、磁學量傳感器、熱學量傳感器、化學量傳感器與微生物傳感器五類。當前應用于汽車電子當中的MEMS傳感器有很多，其中主要包括壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、角速度傳感器等，多為物理量傳感器[2]。實際上，化學傳感器、生物傳感器與無線傳感器也正逐步廣泛應用于汽車電子當中。

1.2 MEMS的工作原理

MEMS傳感器的類型多樣，其工作原理也有所不同。MEMS壓力傳感器的工作析理為壓阻式力敏原理，此傳感器主要是利用單晶硅所制成，經MEMS技術在材料當中加制一層力敏膜片，并于膜片上行雜質擴散，制成4只應變電阻，最后利用惠斯頓電橋將其進行連接，形成一條測量電路，從而使得器件的靈敏度得以提高。MEMS壓力傳感器的量程由力敏膜片的厚度來決定，在實際生產當中，為能實現批量生產，通常會于一枚晶片上制作多個力敏芯片。

2 MEMS傳感器在汽車電子中的應用

2.1 壓力傳感器

MEMS壓力傳感器主要應用于對汽車氣缸負壓、吸氣壓，渦輪發動機的升壓比、油壓等進行檢測。檢測氣缸壓力是優化汽車發動機性能的基礎，因氣缸內溫度偏高，傳統多利用壓電傳感器或是光纖傳感器進行測量，其檢測效果雖好，但成本偏高。而源于日本的諧振式硅壓力傳感器已實現批量生產，其可于高溫環境下工作，且能保持較高測試精度，現已應用于測量汽車氣缸壓力。另，Keller、Measurement Specialties、SSI Technologies、Fasco等公司所研發的微機械硅壓阻式傳感器也已廣泛應用于測量廢氣循環系統與渦輪發動機的油壓當中。

MEMS壓力傳感器還可應用于監測汽車輪胎壓力。汽車輪胎壓力過低或滲漏極易造成交通事故，據相關統計報道，美國有近75%的交通事故是因汽車輪胎壓力偏低或是滲漏所引起；我國高速公路交通事故有近70%是因輪胎爆炸而引起[3]。為此，各國都非常重視輪胎氣壓的測量。當前，美國部分汽車輪胎制造商已在輪胎當中埋置了利用MEMS技術所制造的微型壓力傳感器，以免輪胎充氣不足或過量。

2.2 加速度傳感器

早于1991年，美國的ADI公司便已利用表面微機械加工技術制作出了一種MEMS加速度傳感器，其成功集成了敏感結構與微電子信號處理電路，量程僅為50g，將其安裝于汽車的前方與側方可在汽車發生碰撞時及時將安全氣囊打開。現此MEMS傳感器已投入批量生產，成本未超5美元，基本代替了傳統的老式機械安全氣囊開關。后期，美國ADI公司在此基礎上又開發了一系列的MEMS加速度產品，其中有一種量程僅為30g的傳感器可用于對汽車發動機的振動狀態進行測量，以點火提前角控制進行調整，以免發動機爆震。另還有安裝于半主動懸掛系統減壓器的傳感器，其可保證汽車于調整置身和行駛于不平路面時的駕駛性能。除ADI公司，Motorola、SensoNor、Nippondenso、Robert Bosch 等公司均已研制出新型的MEMS加速度傳感器。

2.3 角速度傳感器

角速度傳感器主要應用于控制車輛姿態、發出翻車報警與汽車導航當中，其中汽車導航需利用到角速度傳感器與車輪轉速傳感器，且要將其與汽車電子系統中的電子地圖與GPS相互結合。陀螺儀是當前汽車電子當中使用最為廣泛的MEMS角速度傳感器。當前表面微機械陀螺儀與音叉式陀螺儀已實現了批量生產，很多高級轎車當中均會安裝此類傳感器。ADI公司所生產的新型MEMS陀螺儀將角速度傳感器與微電子信號處理電路進行了集成，其體積較小，精度較高，性能較優。伴隨MEMS陀螺儀的廣泛應用，汽車導航的價格不斷下降，在一定程度上降低了汽車的生產成本，提高了汽車的附加價值。另，陀螺儀還可應用于控制車輛姿態、發出翻車報警，這在很大程度上提高了汽車行駛的安全，增強了駕駛人員的安全感，也正是因為此，陀螺儀的銷量才不斷上升。

3 結語

總而言之，現MEMS傳感器已廣泛應用于汽車電子當中，實際狀況也表明，很多傳統傳感器與逐步被微型化的MEMS傳感器所替代。伴隨科學技術的發展，MEMS傳感器將朝智能化、集成化方向發展，其性能與穩定性將不斷提高，科學家們也正嘗試將其與CMOS集成電路進行結合，以進一步促進汽車行業的智能化發展，推動汽車行業的不斷向前。