加速度傳感器負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)車組的失穩(wěn)、車廂舒適度和走行部件健康狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)。“要保證動(dòng)車組高速平穩(wěn)行駛，首先要由加速度傳感器對(duì)來自X(軸)、Y(徑)和Z(垂)向的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將電信號(hào)傳輸給列車指揮系統(tǒng)。”北京交通大學(xué)教授秦勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，加速度敏感器件負(fù)責(zé)完成電信號(hào)的傳輸，是高端加速度傳感器中的核心部件。
科技日?qǐng)?bào)記者在采訪中了解到，由于我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期處于產(chǎn)業(yè)鏈中下游，加速度敏感器件進(jìn)口率達(dá)80%以上。
最小長(zhǎng)度為頭發(fā)絲直徑的1/50
加速度敏感器件屬高端芯片，多采用MEMS工藝制造。
MEMS是一門綜合學(xué)科，涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、原子、表面等物理學(xué)的各分支，乃至化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和儀器等各領(lǐng)域，學(xué)科交叉很強(qiáng)，研究難度很大。
“MEMS工藝則是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料基礎(chǔ)上，利用平面硅加工工藝、體硅加工工藝等微納米技術(shù)，在硅片上制造微型機(jī)械敏感器件，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)。”寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司副總經(jīng)理呂陽(yáng)介紹說，相比傳統(tǒng)的厘米級(jí)機(jī)械器件，MEMS器件尺寸非常微小，長(zhǎng)度從1毫米到1微米，而一根頭發(fā)絲的直徑大約是50微米。
硅是MEMS的主要材料，其電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。“一塊幾微米的MEMS傳感器芯片，要集成七八種機(jī)械配件。”呂陽(yáng)說。
目前全球擁有整個(gè)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈的公司基本為美日歐公司，有博世、霍尼韋爾、ST(意法半導(dǎo)體)、索尼、ALLEGRO、AKM、TDK、英飛凌等，全球市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上。
國(guó)產(chǎn)MEMS器件量產(chǎn)僅有X、Y軸向
為保障高鐵的故障率僅允許的百萬(wàn)分之一，高可靠性的敏感元器件，是加速度傳感器集成商的必然選擇。呂陽(yáng)透露，目前世界最先進(jìn)的敏感器件為三軸，標(biāo)準(zhǔn)為零點(diǎn)偏置±50mg甚至更小、零點(diǎn)溫度誤差±1mg/℃、靈敏度溫度誤差±100ppm/℃、噪聲低至30μg/√Hz，且使用壽命基本在10年以上。
相比之下，國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、專做MEMS的企業(yè)美新，目前能形成量產(chǎn)的還是兩軸產(chǎn)品，僅能測(cè)量X、Y向。MEMS傳感器品類眾多，以萬(wàn)為單位，且不同MEMS傳感器之間參量較多，消費(fèi)類加速度敏感器件，不能直接應(yīng)用于高速軌道交通行業(yè)，需要進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。“這種行業(yè)特性，要求企業(yè)在前期研發(fā)上必須投入巨資。”呂陽(yáng)說，一般而言，月產(chǎn)1000萬(wàn)只，才能保證MEMS傳感器市場(chǎng)盈虧平衡。根據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)都遠(yuǎn)低于這一規(guī)模。
秦勇認(rèn)為，起步晚、研發(fā)和材料工藝落后、資金和人才嚴(yán)重匱乏，以及產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)等，都是國(guó)內(nèi)MEMS行業(yè)發(fā)展滯緩的重要因素。
SOI工藝加工等關(guān)鍵技術(shù)已突破
高鐵產(chǎn)業(yè)需要大量傳感器，一列8編組動(dòng)車組需要上千傳感器，實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。
到2020年，中國(guó)高鐵里程將新增5000公里，達(dá)3萬(wàn)公里，而且還將提升智能化水平。“這意味著對(duì)加速度、角度和溫度等傳感器的巨大需求。”秦勇表示。
來自中國(guó)中車和中國(guó)鐵建消息，2019年，“復(fù)興號(hào)”智能版列車將上線運(yùn)行，在世界上首次實(shí)現(xiàn)時(shí)速350公里自動(dòng)駕駛;而中國(guó)鐵建電氣化局設(shè)計(jì)研發(fā)的高鐵供電線材之一，即棘輪智能在線監(jiān)測(cè)裝置，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)組裝高精度角度傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器，其中角度傳感器測(cè)量精度±0.1°,溫度傳感器測(cè)量精度±0.1℃。
無疑，后續(xù)我國(guó)軌道交通行業(yè)仍需要大量傳感器。
“目前國(guó)產(chǎn)軌道交通裝備傳感器尚屬二代產(chǎn)品，仍以模擬量傳輸為主，易受干擾，同時(shí)在惡劣條件下發(fā)生故障后，尚無法實(shí)現(xiàn)自診斷，不具備自愈能力。”秦勇說，MEMS工藝就是要實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出從模擬改為數(shù)字，具備自校正、自診斷、自判斷和自愈能力。
MEMS加速度傳感器國(guó)產(chǎn)化替代正緊鑼密鼓。
“相關(guān)科研院所已突破高精度SOI工藝加工、圓片級(jí)可調(diào)阻尼封裝、低功耗ASIC專用集成電路等關(guān)鍵技術(shù)。”呂陽(yáng)說。
SOI工藝，指在頂層硅和襯底硅之間，引入一層二氧化硅層，起絕緣和隔離作用。基于SOI工藝的MEMS器件具備工藝簡(jiǎn)單、漏電流小、無閂鎖效應(yīng)、電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。(記者 矯 陽(yáng))
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