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加速度传感器:高铁敏感元器件国货难觅

2018-11-27 08:43来源:科技日报

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  加速度传感器负责对动车组的失稳、车厢舒适度和走行部件健康状态进行检测,广泛应用于轨道交通系统。

  “要保证动车组高速平稳行驶,首先要由加速度传感器对来自X(轴)、Y(径)和Z(垂)向的应力进行实时监测,并将电信号传输给列车指挥系统。”北京交通大学教授秦勇告诉科技日报记者,加速度敏感器件负责完成电信号的传输,是高端加速度传感器中的核心部件。

  科技日报记者在采访中了解到,由于我国传感器产业长期处于产业链中下游,加速度敏感器件进口率达80%以上。

  最小长度为头发丝直径的1/50

  加速度敏感器件属高端芯片,多采用MEMS工艺制造。

  MEMS是一门综合学科,涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、原子、表面等物理学的各分支,乃至化学、生物、医学和仪器等各领域,学科交叉很强,研究难度很大。

  “MEMS工艺则是在传统的半导体工艺和材料基础上,利用平面硅加工工艺、体硅加工工艺等微纳米技术,在硅片上制造微型机械敏感器件,并将其与对应电路集成为一个整体的技术。”宁波中车时代传感技术有限公司副总经理吕阳介绍说,相比传统的厘米级机械器件,MEMS器件尺寸非常微小,长度从1毫米到1微米,而一根头发丝的直径大约是50微米。

  硅是MEMS的主要材料,其电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。“一块几微米的MEMS传感器芯片,要集成七八种机械配件。”吕阳说。

  目前全球拥有整个MEMS产业链的公司基本为美日欧公司,有博世、霍尼韦尔、ST(意法半导体)、索尼、ALLEGRO、AKM、TDK、英飞凌等,全球市场占有率达90%以上。

  国产MEMS器件量产仅有X、Y轴向

  为保障高铁的故障率仅允许的百万分之一,高可靠性的敏感元器件,是加速度传感器集成商的必然选择。吕阳透露,目前世界最先进的敏感器件为三轴,标准为零点偏置±50mg甚至更小、零点温度误差±1mg/℃、灵敏度温度误差±100ppm/℃、噪声低至30μg/√Hz,且使用寿命基本在10年以上。

  相比之下,国内规模最大、专做MEMS的企业美新,目前能形成量产的还是两轴产品,仅能测量X、Y向。MEMS传感器品类众多,以万为单位,且不同MEMS传感器之间参量较多,消费类加速度敏感器件,不能直接应用于高速轨道交通行业,需要进行可靠性优化设计。“这种行业特性,要求企业在前期研发上必须投入巨资。”吕阳说,一般而言,月产1000万只,才能保证MEMS传感器市场盈亏平衡。根据调查,国内绝大多数企业都远低于这一规模。

  秦勇认为,起步晚、研发和材料工艺落后、资金和人才严重匮乏,以及产学研脱节等,都是国内MEMS行业发展滞缓的重要因素。

  SOI工艺加工等关键技术已突破

  高铁产业需要大量传感器,一列8编组动车组需要上千传感器,实时采集与监测车辆状态数据。

  到2020年,中国高铁里程将新增5000公里,达3万公里,而且还将提升智能化水平。“这意味着对加速度、角度和温度等传感器的巨大需求。”秦勇表示。

  来自中国中车和中国铁建消息,2019年,“复兴号”智能版列车将上线运行,在世界上首次实现时速350公里自动驾驶;而中国铁建电气化局设计研发的高铁供电线材之一,即棘轮智能在线监测装置,在国内首创组装高精度角度传感器、温度传感器和振动监测传感器,其中角度传感器测量精度±0.1°,温度传感器测量精度±0.1℃。

  无疑,后续我国轨道交通行业仍需要大量传感器。

  “目前国产轨道交通装备传感器尚属二代产品,仍以模拟量传输为主,易受干扰,同时在恶劣条件下发生故障后,尚无法实现自诊断,不具备自愈能力。”秦勇说,MEMS工艺就是要实现信号输出从模拟改为数字,具备自校正、自诊断、自判断和自愈能力。

  MEMS加速度传感器国产化替代正紧锣密鼓。

  “相关科研院所已突破高精度SOI工艺加工、圆片级可调阻尼封装、低功耗ASIC专用集成电路等关键技术。”吕阳说。

  SOI工艺,指在顶层硅和衬底硅之间,引入一层二氧化硅层,起绝缘和隔离作用。基于SOI工艺的MEMS器件具备工艺简单、漏电流小、无闩锁效应、电流驱动能力强等诸多优点。(记者矫 阳)

[责编:肖春芳]

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