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來(lái)源：科技日報 加速度傳感器負責對動(dòng)車(chē)組的失穩、車(chē)廂舒適度和走行部件健康狀態(tài)進(jìn)行檢測，廣泛應用于軌道交通系統。 “要保證動(dòng)車(chē)組高速平穩行駛，首先要由加速度傳感器對來(lái)自X（軸）、Y（徑）和Z（垂）向的應力進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并將電信號傳輸給列車(chē)指揮系統�！北本┙煌ù髮W(xué)教授秦勇告訴科技日報記者，加速度敏感器件負責完成電信號的傳輸，是高端加速度傳感器中的核心部件。 科技日報記者在采訪(fǎng)中了解到，由于我國傳感器產(chǎn)業(yè)長(cháng)期處于產(chǎn)業(yè)鏈中下游，加速度敏感器件進(jìn)口率達80%以上。 最小長(cháng)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(mén)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、醫學(xué)和儀器等各領(lǐng)域，學(xué)科交叉很強，研究難度很大。 “MEMS工藝則是在傳統的半導體工藝和材料基礎上，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械敏感器件，并將其與對應電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)�！睂幉ㄖ熊�(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司副總經(jīng)理呂陽(yáng)介紹說(shuō)，相比傳統的厘米級機械器件，MEMS器件尺寸非常微小，長(cháng)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，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類(lèi)似，熱傳導率接近鉬和鎢�！耙粔K幾微米的MEMS傳感器芯片，要集成七八種機械配件�！眳侮�(yáng)說(shuō)。 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（意法半導體）、索尼、ALLEGRO、AKM、TDK、英飛凌等，全球市場(chǎng)占有率達90%以上。 國產(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，標準為零點(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，國內規模最大、專(zhuān)做MEMS的企業(yè)美新，目前能形成量產(chǎn)的還是兩軸產(chǎn)品，僅能測量X、Y向。MEMS傳感器品類(lèi)眾多，以萬(wàn)為單位，且不同MEMS傳感器之間參量較多，消費類(lèi)加速度敏感器件，不能直接應用于高速軌道交通行業(yè)，需要進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設計�！斑@種行業(yè)特性，要求企業(yè)在前期研發(fā)上必須投入巨資�！眳侮�(yáng)說(shuō)，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。根據調查，國內絕大多數企業(yè)都遠低于這一規模。 秦勇認為，起步晚、研發(fā)和材料工藝落后、資金和人才嚴重匱乏，以及產(chǎn)學(xué)研脫節等，都是國內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(chē)組需要上千傳感器，實(shí)時(shí)采集與監測車(chē)輛狀態(tài)數據。 到2020年，中國高鐵里程將新增5000公里，達3萬(wàn)公里，而且還將提升智能化水平�！斑@意味著(zhù)對加速度、角度和溫度等傳感器的巨大需求�！鼻赜卤硎�。 來(lái)自中國中車(chē)和中國鐵建消息，2019年，“復興號”智能版列車(chē)將上線(xiàn)運行，在世界上首次實(shí)現時(shí)速350公里自動(dòng)駕駛；而中國鐵建電氣化局設計研發(fā)的高鐵供電線(xiàn)材之一，即棘輪智能在線(xiàn)監測裝置，在國內首創(chuàng )組裝高精度角度傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)監測傳感器，其中角度傳感器測量精度±0.1°，溫度傳感器測量精度±0.1℃。 無(wú)疑，后續我國軌道交通行業(yè)仍需要大量傳感器。 “目前國產(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(wú)法實(shí)現自診斷，不具備自愈能力�！鼻赜抡f(shuō)，MEMS工藝就是要實(shí)現信號輸出從模擬改為數字，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、圓片級可調阻尼封裝、低功耗ASIC專(zhuān)用集成電路等關(guān)鍵技術(shù)�！眳侮�(yáng)說(shuō)。 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�；赟OI工藝的MEMS器件具備工藝簡(jiǎn)單、漏電流小、無(wú)閂鎖效應、電流驅動(dòng)能力強等諸多優(yōu)點(diǎn)。 |
