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MEMS传感器传感器的应用
前言
MEMS即微机电子机械系统它的英文全称MicroElectromechanicalSystem。
现代电子系统中，用MEMS技术制作的微型传感器在人们接触的领域中有着十分广阔的应用前景，在现代汽车电子控制系统中，传感器负担着信息采集和传输的作用，它将采集到的信息传给电子控制单元ECU进行处理后，向执行器发出指令来进行电子控制的。
传感器在电子控制系统中是非常重要的，可以说各个系统的控制过程都是要依靠传感器进行的信息反馈来实现自动控制工作的。
随着电子技术的发展，传感器也跟着发展。
在现代汽车中，传感器的使用数量和技术水平决定了汽车控制系统的功能，很多汽车以传感器技术的高低和传感器使用的数量决定整个汽车档次的高低。
一、MEMS传感器概述
（一）MEMS电子技术的发展历史
自20世纪50年代，人们在汽车上安装电子管收音机开始，这是汽车电子发展的初步雏形也是传感器的起源；
到了60年代初，汽车上开始应用了硅整流交流发电机和晶体管调节器；
到了60年代中期，汽车上才慢慢的开始采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置；
直到进入70年代后期，电子工业才有了长足的进步，特别是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路技术得到了巨大的发展。
到了20世纪90年代，汽车电子技术发展进入第三个阶段，这是对汽车工业发展最有价值也是最有贡献的阶段，超微型磁体、超高效电动机和集成电路的微型化，为汽车上的集中控制奠定了基础。
目前，汽车电子技术已经发展到了第四阶段，即包括电子技术MEMS（含微机技术）、传感器技术、优化控制技术、网络技术和机电一体化耦合交叉技术等综合技术的大型系统。
有些汽车的电子控制装置已经占到了整车造价的2/3，如宝马BMW750i全车就使用了30多块电脑，现代汽车上电子化的应用程度已经成为衡量汽车档次高低的主要标志。
（二）MEMS传感器的发展趋势
所谓MEMS技术就是一项在普通的硅基片上综合了传感器、执行器、机械单元和电子器件（并使之协调工作）的技术。
MEMS技术所生产的全部最新的传感器系列已经开始慢慢大量的出现在今天的车辆上，将逐步取代传统型传感器，它们占据车辆中很大的份额。
MEMS中主要包括了微型传感器、微型机构、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是融合了很多种细微的加工技术，并在应用现代化电子信息技术的最新基础成果上所发展起来的，它站在了高科技学科前端，MEMS传感器就是在此技术上所研究出来的产物。
MEMS技术的第一轮商业化浪潮是始于20世纪70年代末80年代初，当时所采用的是大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片所制作压力传感器。
由于薄硅片振动膜会在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，而这种变化可以把压力转换成电信号。
后来的电路则包括了电容感应移动质量加速计，应用于触发汽车的安全气囊和定位陀螺仪。
MEMS技术的第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。
TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头在现在仍然在大量使用。
MEMS技术的第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。
虽然该市场现在依旧萧条，但微光学器件从长期看来将会是MEMS技术的另一个增长强劲的领域。
目前MEMS产业所呈现的新趋势是产品应用的扩展，MEMS传感器开始向工业、医疗、测试仪器等各个新领域扩张。
推动第四轮商业化的其它应用包括一些电子元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针等其他领域，以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。
MEMS传感器的实例图如下:
MEMS主要应用于发动机、底盘和车身中。
其中发动机的电子控制系统，被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。
Delco、飞思卡尔和世博公司生产了数以百万计的多路压力传感器，除了多路压力和质量流量以外，发动机的控制器还需要获取其他参数，如大气的压力参数，以便根据推算出的海拔高度信息从而确定合理的空气和燃油比，先进的MEMS技术将在这些应用中发挥越来越重要的作用。
在废气循环（EGR）系统中，陶瓷电容式压力传感器以不能满足现状，正被微型硅压阻式传感器（即MEMS传感器）慢慢取代。
发动机的油压检测也为MEMS技术提供了一个重要的机会。
现代很多系统在应用中的最大障碍是传感器的价格和这类微型压力传感器必须能够在环境温度很高的发动机中正常工作、其敏感芯片部分必须与工作介质隔离开，MEMS传感器则是很好的解决了这类问题。
MEMS压力传感器还可以应用于监控燃油油箱中的蒸汽压，以确保无燃油泄漏。
（三）传感器在汽车上的要求
传感器需要满足多项环境、可靠性和经济性等各个方面的要求，还要经受各种高低温、震动、冲击、耐久、电子干扰等因素，也必须要适用于大批量生产和低制造方面的成本。
所以传感器要求环境适应性好、体积小、不受数量限制、工作稳定性可靠性高、再现性好、能够大规模生产等要求。
一般汽车上对传感器的要求有如下七点:
1、传感器数量不受限制。
2、有较好的环境适应性。
汽车工作环境温度一般是在—40~80℃和各种道路条件下运行，特别是发动机承受着巨大的热负荷、热冲击、震动等，因此要求传感器适应温度、湿度、冲击、振动、腐蚀及油污等恶劣工作环境。
3、再现性好。
由于计算机在汽车上的应用，要求传感器的再现性一定要好，因为即使传感器线性不良，也可以通过电脑加以修正。
4、具有批量生产和通用性。
由于汽车工业的发展，要求传感器应具有批量生产的可能性。
一种传感器可用于多种控制，如把速度信号微分，可求的加速度信号等，所以传感器应具有通用性。
5、要求小型化，便于安装使用，检测识别方便。
6、要求汽车传感器工作稳定性好、可靠性高。
7、应符合有关标准要求。
目前传统型传感器已开始无法满足现代汽车在电子系统中的应用，MEMS传感器和其他的传统型传感器相比具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易生产、成本低等各方面的优势，MEMS传感器比传统型传感器更加适用于现代汽车中，MEMS传感器比起传统型传感器有着各方面的优点，它正逐步取代传统传感器在汽车中的地位。
（四）MEMS传感器的应用范围
传感器在汽车上的应用十分广泛的，一般平均普通型轿车上面大约安装了几十到上百只传感器，而豪华轿车上有200多只传感器其中至少采用25至40只MEMS传感器，以宝马BMW740i汽车为例，它上面就有70多只MEMS传感器，德国海拉集团在欧洲售后市场提供近250种汽车传感器，目前汽车市场中很多的传感器都可用MEMS传感器所替代。
MEMS传感器在汽车市场中有着众多的消费者，MEMS传感器在这些消费者中有着极其稳定而又巨大的市场，这些终端消费者愿意为了这些小巧新颖的微型传感装置而付出，尽管他们不能真正的看到这一装置，因为这些小芯片被很好地隐藏且分装在整个汽车里。
如下表
（1）中概述了电子控制传感器的传感器
表1电子控制系统主要的传感器
电子控制系统类别
子系统名称
所有主要的传感器
发动机
电子燃油喷射系统
温度、压力、转速、流量、爆震、车速、位移、液位、力矩、氧传感器等
底盘
电子自动变速控制系统
车速、位移、油温、节流阀传感器等
电子控制悬架系统
车高、车速、航角、方位、加速度、方向盘转角传感器等
电子控制动力转向系统
车速、转向、转速、油压、扭矩传感器等
防抱死制动系统
轮速、压力、加速度、振动传感器等
车身
安全气囊系统
惯性加速度、碰撞（前后和侧向）传感器等
防撞警告系统
接近、红外线成像、超声阵列、距离传感器等
自动空调系统
低压开关、温度开关、压力、湿度传感器等
环境监测系统
温度、风压、风量、风向、日照、雨量、气体传感器等
现代汽车电子控制中，传感器被广泛的应用在发动机、底盘、车身和各个系统中。
传感器在这些系统中负担着采集和传输的作用，它将采集的信息交由ECU（电子控制单元）进行处理后，向执行器发出指令从而完成电子控制。
传感器在电子控制和自我诊断中是非常重要的装置，它能及时识别外界的变化和系统本身的变化，并根据变化的信息去控制系统本身的工作。
各个系统控制过程都是依靠传感器，来进行信息的反馈的，从而实现自动控制工作的。
（五）MEMS传感器的分类
MEMS传感器的应用可分类为传动、安全和舒适/便利，MEMS传感器技术提高的主要二个必要的性能是安全和环境。
如果没有这一高级尖端的传感器，在汽车系统中没有安全控制系统防滑系统和安全气囊的汽车将是难以想象的，MEMS传感器在汽车的另一个领域是舒适系统，除了某些CD机及收音机外、空调系统、电控车镜、座椅及巡航系统等，都广泛的应用到MEMS传感器，MEMS传感器在汽车中的发展是广泛的。
现代汽车电子控制系统中，传感器工作性能的好坏决定了电子控制的精确程度。
因为传感器工作性能的好坏，直接影响到了汽车的运行状况、汽车行驶的安全性和经济性。
现代电子控制系统中主要传感器包括有发动机电子燃油喷射系统温度传感器、压力传感器、位置传感器、转速传感器、流量传感器、爆震传感器、车速传感器、旋转位移传感器、液位传感器、氧传感器等各类传感器。
二、MEMS传感器的应用优势
（一）MEMS压力传感器简介
MEMS技术问世以来，在压力传感器方面得到了广泛的应用，并且不断地向产业化进行发展，目前，已成为中国压力传感器最引人关注的市场重点之一。
目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器两种，两者都是在硅片基础上所生成的微电子机械传感器。
MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01-0.03%FS。
硅压阻式压力传感器结构，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压型压力传感器。
应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成的电阻应变片电桥电路。
当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。
硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，它具有较高的工作测量精度、较低的功能消耗和极低的成本资金。
惠斯顿电桥的压阻式传感器，如果没有压力变化，其输出为零，几乎可以说不消耗电。
相对于传统的压力传感器（如电容原理）和传统的加速度传感器（如压电原理、机械原理）及传统的陀螺（如机械陀螺、激光陀螺），MEMS技术首先具有尺寸小、价格便宜的特点，这使得它们的应用范围大大扩大，数量急剧扩大。
但又由于MEMS技术温度漂移大的特点，使得它们难以完全替代传统型传感器。
（二）MEMS传感器和传统型传感器的对比
1、以MEMS压力传感器为例和其他传统型压力传感器进行比较
汽车传感器中压力传感器是在汽车中运用较多的传感器，压力传感器也被认为是汽车电子控制系统的主要应用领域之一，它可用于测量汽车的进气歧管压力、大气压力、油压、轮胎气压等。
它是用来检测气体压力和液体压力，并将压力信号转变成为电压信号传送给电脑。
压力传感器检测过程中的基准压力通常指的是大气压，它的基本工作原理是靠测定压力差来工作的。
现代汽车中车用的压力传感器有很多，有进气歧管压力传感器器、大气压力传感器、液体压力传感器等。
在判断某个压力传感器出现故障的时候，不应该只检查压力传感器的本身，还应该检查线束、插接件以及电控单元的整个故障电路来分析。
汽车中压力传感器主要是用于检测进气歧管压力、大气压力、涡轮发动机的升压比、气缸内压力、进气压力及机油压力等。
汽车压力传感器中油压传感器是用来测量制动系统中储油器的压力及油压异常报警；
燃烧压力传感器用于检测气缸压力，以控制燃烧过程；
开关传感器用于检测发动机有无油压及用于油压指示器；
导体压力传感器或真空传感器用于检测发动机进气歧管压力；
增压传感器用于检测增压发动机涡轮机的增压压力；
相对压力传感器用来测量汽车空调的冷却介质压力等。
目前较先进的压力传感器是集成电路型（IC）大气压力传感器，其测量精度在正负2.5%以内。
（1）传统型传感器的应用优点
比较常用的几种汽车压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式和声表面波式。
其中电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围为是20kPa～100kPa，其特点是输入能量高、动态响应特性好、环境适应性好；
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；
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；
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，一般用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，是一种较为理想的传感器。
（2）MEMS传感器的应用优点
MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：
如轮胎压力监测系统（TPMS）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器；
消费电子：
如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤、洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、饮水机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；
工业电子：
如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
MEMS压力传感器主要用于检测汽缸的负压、大气压、涡轮发动机的升压比、发动机汽缸内压、油压等。
最流行的汽车MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理，如（表2）中这是目前现有的几种力敏传感器中用量最大的一种，开发出了几代产品，其年产量为数千万只。
这种类型的传感器都用单晶硅作材料，以MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后接着在其膜片上扩散杂质形成4只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，用来获得更高的灵敏度，它的输出大多数为0~5V的模拟量，一般测量范围取决于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，这种技术的传感器比较易于批量生产，在力敏芯片受温度影响性能上采用调理电路补偿。
汽车用的压力传感器被业内称之为是军品的质量、民品的价格。
表2MEMS传感器测量控制
歧管压力测量
点火提前角控制、空燃比控制、废弃循环控制
大气压测量
空燃比修正
气缸内气压测量
爆震控制
燃油喷射压力
柴油共轨系统
充气压力测量
传动油压
变速自动控制
制动油道油压
制动系统
悬挂液压
悬挂系统
轮胎气压
轮胎气压检测
（3）MEMS传感器的环境实验
车用MEMS传感器比起传统型传感器它的环境适应性更强而且环境实验要求也更加极为严格（表3）。
封装好的MEMS压力传感器在通过严格的环境测试后，一般能够保证0.1%~0.3%F.S.的稳定性，即使经受过了最严格的长时间环境测试，仍然能够维持1%F.S.的稳定性。
信号调理电路和标定及封装也是生产环节中的极其关键技术，科技含量超过力敏芯片的制作。
例如，在测量燃油喷射的压力传感器长期与液态燃料接触，并承受高压，组装固定和安装尺寸的设计时，涉及到了大量的结构分析、机械应力测试、介质暴露测试、电路修正等应用技术。
表3MEMS传感器的环境实验
测试项目
条件
持续时间
高温、偏压
100℃、5V
1000小时
温度冲击
-40~125℃
高温高湿
85℃、85%RH、无偏压
压力、功率
和温度循环
20kPa~Patm
5V、-40~125℃
3000小时
热贮存
125℃
冷贮存
-40℃
压力循环
200万次
压力过载
2Patm
振动
5~10g扫频
30小时
冲击
50g、100ms脉冲
3个面、每个100次
流体/介质
兼容性
空气、水、有腐蚀性水、汽油、甲醇、乙醇、柴油、机油等
各种应用
MEMS汽车传感器比起一般传统型传感器具有更加精确的工作状况、具有优秀的动态性能、环境适应强、它的体积比起一般传感器也小且能够进行大规模产业化等优点，现代汽车中，传统型传感器以开始无法满足现代汽车的需求，MEMS传感器将逐步取代传统型传感器。
（三）MEMS传感器和传统型传感器在安全应用方面的比较
MEMS传感器在其他方面也是传统型传感器所无法比拟的，如MEMS传感器在汽车安全方面的应用也是传统型传感器所无法比较的。
（1）MEMS传感器在安全气囊中的应用
在现代汽车中，车辆安全是每辆汽车考虑首要的因素，应用在汽车安全方面的传感器也有很多种，其中最普遍的是汽车安全气囊碰撞传感器，安全气囊中要求传感器精确的工况，一辆车中没有安全气囊是无法想象的。
现代汽车中，安全气囊也是MEMS传感器的一个主要的应用领域。
汽车中安全气囊到处可见，MEMS惯性传感器在车辆侧翻检测中也应用的越来越多，其中以小型货车和SUV为例。
在车辆翻车时，检测系统读取车辆翻滚角度和滚动来进行判断汽车是否处于侧翻中，如果侧翻，系统将启动侧面的安全气囊来保护车里的人。
在安全气囊中MEMS加速度计传感器是用来检测汽车安全行驶速度衰减从而来决定安全气囊是否启用，MEMS惯性传感器在汽车中还有着其他许多安全性和方便性系统的应用，如改变汽车的安全性、方便性和可靠性提高动态性能等。
基于MEMS传感器的微型化在降低汽车电子系统成本和提高电子机械系统性能比一般传感器有着更加的优势，很多汽车上已经开始采用MEMS传感器替代传统技术的传感器，并广泛应用在汽车各个方面。
MEMS传感器比传统型传感器体积更小、造价更低、功能更强。
（2）MEMS传感器在制动防抱死中的应用
在汽车ABS制动防抱死系统中采用MEMS惯性传感器能够简单的读取车轮轮速，其灵敏性高于一般传统传感器，在刹车时能够更好的施加制动脉冲。
MEMS惯性传感器中有一种低加速度计能检测汽车是否在横向滑行，如果检测到横向滑行，那么驾驶员可以采用单轮制动或减少力矩可以使汽车“恢复直线”。
表4微型传感器在汽车安全系统方面的应用
应用
特敏感量
生产（应用）情况
采用MEMS技术的意义
ABS刹车/车辆
动力学控制/悬挂
方向盘位置
批量生产
一般
车轮转速
压力
已少量生产
加速度
重大
速率
位移
不大
翻滚
气囊
压力（储气罐）
未来
压力（侧向冲击）
座位占据/乘客位置
有无乘客/力
安全带张紧器
避擦
障碍物有无/位移
导航
偏航角/陀螺
路雨状况
光学
（四）MEMS微型传感器和传统型传感器在其他应用方面的比较
表5MEMS微型传感器和传统型传感器在提高汽车舒适性/方便性/防盗性的比较
待敏感量
应用MEMS技术放入意义
座椅控制
有无乘客
偏移
天气情况敏感
空气质量流量
温度
湿度
空气质量
压缩机控制
保安防盗
接近
运动
风挡雨刷
三、MEMS传感器的应用现状和发展趋势
（一）MEMS传感器的应用现状
自20世纪80年代以来，汽车上应用的传感器越来越多。
现代汽车电子控制技术的发展核心是以汽车的智能化、安全化和舒适化为标准的，现代汽车上电子技术水平的高低很大程度取决于汽车上的电子化程度。
近年来，MEMS技术日渐成熟，利用这一技术可以制作各种性能的传感器。
目前，普通汽车上平均大约安装有几十到近百只传感器，豪华轿车上则更多，已近采用上百只传感器。
其中MEMS传感器在普通轿车上有25至40只，高档车中则用的更多，以宝马BMW740i为例，其汽车上就有70多只MEMS传感器，目前市场很多的传感器可用MEMS传感器替代。
电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。
目前中国的汽车传感器尚未形成独立的产业仍然依附于汽车仪表企业。
自20世纪80年代以来，中国的汽车仪表行业引进国外的先进技术与之相配套的传感器生产技术，基本上满足了国内小批量、低水平车型的配件套的需求。
随着众多轿车、轻型及部分轻型载货车中采用新的电子产品，需要大批量的、高水平的汽车传感器。
由于中国目前现有最高水平的汽车传感器产品比同类产品落后国外10年，所以每年还要进口50万套以上的高性能汽车传感器。
2002年中国的汽车总产量为325万辆，数量超过韩国列居第五（其中轿车产量首次突破100万辆）。
2003年达到了380万辆，超过法国列居第四；
到2005年达到了440万辆。
按每辆汽车平均需用20只传感器计算，2005年中国需求8800万只传感器。
据CEM专题报道，2000年汽车MEMS传感器的销售额为12.6亿美元，2004年将增长到23.5亿美元，有人预测MEMS传感器的市场增长将更为句大，在今后的汽车传感器中会进一步占有更大的份额。
MEMS传感器具有大批量的高精度生产和高可靠性及单价廉价的优点，适宜在汽车的电控系统中应用，博世公司以产品系列的完整性而引以为荣，其中车用MEMS传感器超过了35种型号。
风险投资家依然青睐于MEM
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