微加速度计商业化最重要的驱动力来自汽车工业,最成功的是美国模拟器件公司的ADXL05和ADXL50系列单片集成差动电容式加速度计,现月产量达到200万只。美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式加速度计,选择双芯片设计制作技术,封装为双列直插式或单列直插式塑封,加速度测量范围±40g。美国EG&GIC传感器公司建立了MEMS加工生产线,先后开发成功3255、3000系列压阻式加速度计,3255型主要用于汽车安全系统,敏感芯片与信号自理芯片封装在表面贴装的外壳内。德国博世、日本电装公司也有类似产品。微加速度计正替代以往的机电式加速度传感器,并伴随着汽车安全气囊系统日趋普及而高速增长。
微机械陀螺
微机械陀螺是一种振动式角速率传感器,在汽车领域的应用开发倍受关注,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,应用潜力极大。
微机械陀螺中有两个振动模式,一个是横向振动模式,即驱动振动模式,通常称为参考振动,在科氏力作用下会产生附加运动;另一个是法向振动模式,即敏感振动模式,对反映科氏力的附加运动的检测,获得包含在科氏力中的角速率信息。
按所用材料,微机械陀螺分为石英和硅振动梁两类,石英材料结构的品质因数Q值最高,陀螺特性最好,有实用价值,是最早产品化的,美国德尔科、BEI公司采用MEMS技术,批量生产单轴、三轴固态石英压电陀螺,可用于高档汽车、导航、飞机、航天等市场上。德国博世、日本松下的汽车用角速率传感器的单只售价25美元。
石英加工难度大,成本很高,无法满足汽车的低成本要求。硅材料结构完整,弹性好,比较容易得到高Q值的微机械结构,随着深反应离子刻蚀技术的出现,体硅微机械加工技术的加工精度显著提高,在硅衬底上用多晶硅制作适宜批量生产,驱动和检测较为方便,成为当前低成本研发的主流。从硅微机械陀螺的结构上,常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等,用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等,而检测由于科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、电容检测的陀螺设计最为常见,已有部分产品研制成功。
现有的硅微机械陀螺产品的性能不高,精度一般在0.1°/s的水平,只能满足汽车应用要求,但要获得大量应用,还需解决测量电路和封装稳定性、可靠性、价格等诸多问题。
MEMS传感器的产业化
全球汽车电子化及汽车计算机控制系统的兴起,推动了汽车MEMS传感器的发展。在汽车上所有系统中,几乎都能找到MEMS的用武之地,车越好,所用的MEMS就越多。BMW740i汽车上就有70多只MEMS,德国海拉集团在欧洲售后市场提供250种汽车传感器,很多传感器可用MEMS替代。据报道,2000年汽车MEMS传感器的销售额为12.6亿美元,预计2004年将增长到23.5亿美元,有人预测其市场增长更大,总之,在今后的汽车传感器中会进一步占有更大的份额。