基于MEMS技术的汽车传感器研究电子信息工程毕业论文.doc

2009届学生毕业设计(论文)材料（四）学 生 毕 业 设 计（论 文）课题名称基于MEMS技术的汽车传感器研究姓 名学 号院 系物理与电信工程系专 业电子信息工程指导教师2008 年 5 月 25 日13目 录摘 要1关键词1Abstract2Key Words21 引言32 可靠性研究33 寿命分布模型的描述84 MEMS汽车传感器的研究应用现状，以及介绍几种MEMS汽车传感器94.1 研究应用现状94.2 几种MEMS汽车传感器的介绍104.2.1 压力传感器104.2.2 微加速度计104.2.3 微机械陀螺115 结束语12参考文献12致谢13 基于MEMS技术的汽车传感器研究摘 要：随着汽车传感器的迅速发展和MEMS（微机电系统）技术的深入研究，基于MSMS技术的汽车传感器越来越多地用于汽车制造技术中。本文主要是研究汽车电气系统中MEMS传感器的可靠性以及其研究应用现状，并提出了基于阶段主导可靠性因素的MEMS汽车传感器可靠性研究方法；本文也讨论了汽车应用环境下的失效模式和失效机理；并初步探讨如何对MEMS传感器系统寿命分布模型进行定量描述；本文还介绍了几种MEMS汽车传感器；本文也对基于MEMS技术的汽车传感器今后的发展研究进行了探讨。关键词：MEMS技术 汽车传感器 可靠性 Based on MEMS technology automobile sensors researchAbstract: Along with the automobile sensors rapid development and the technical deep research of MEMS(microcomputer electrical system series), automobile sensor which is based on the MSMS apply more and more on the automobile technology. This thesis has analyzed the present situation and reliability design method; And how to carry on the quota description to the MEMS sensor system life distribution model to make the preliminary discussion; It also has summarized the MEMS automobile sensors classification, the manufacture processing and the craft. Finally has carrieon the discussion to the MEMS automobile sensor reliable presents development research. Key Words: MEMS technology Automobile sensor Reliability1 引言未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、功能化、集成化和智能化。微机电系统（MEMS）是一种多学科交叉技术，MEMS技术与智能化、集成化三者有着密切的联系，可以看成一个有机的整体。MEMS技术是微型化、集成化的基础，在传感器微型化和高度集成下，传感器可以具有诸多的信息检测与控制功能，从而实现了智能化。MEMS技术已在传感器领域得到了广泛应用，例如MEMS加速度计、MSMS压力传感器等。MEMS传感器是利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，它具有体积小、价格便宜、可靠性高、工作寿命长等特点，并且可以明显提高系统测试准确度，可以说，以MEMS技术为基础的微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。MEMS汽车传感器的可靠性渐渐成为微系统技术工程研究的焦点，可靠性是MEMS汽车传感器设计与制造需要考虑的关键因素，高可靠性的MEMS传感器对于汽车人员安全与资源节约和环境保护作用巨大。可靠性是指在规定时间与条件下，一种设备各方面性能应满足一定的要求。虽然，在产品推向市场时，对产品质量的主要要求是按客户的需求使产品具有高的生产率且功能完备，但是，可靠性才是产品质量的重点。MEMS汽车传感器的可靠性问题非常复杂，涉及机械学、制造科学、微电子学、传感技术、信息技术、失效物理学、数理统计概率论、材料科学、力学等多学科、多领域。可靠性是一个质量指标，具有综合性、时间性和统计性。MEMS汽车传感器可靠性的研究必须联系相关学科群，采用综合分析原则，对不同方向进行可靠性研究。 2 可靠性研究当前国外对MEMS的可靠性研究处于起步阶段，MEMS汽车传感器研究重点在于MEMS器件工艺、零部件和传感器的功能、机电特性的实现，而可靠性研究则是偏重于单个类型的传感器的使用寿命和对可靠性分析的数学模拟方法，但对于结合汽车的实际应用对MEMS汽车传感器可靠性综合研究，还没有形成一套完整的理论体系和方法。MEMS汽车传感器的可靠性研究存在以下两个主要问题：（1） 因为MEMS可靠性问题的复杂性，人们缺乏对MEMS汽车传感器产品开发各个不同阶段的可靠性因素的清楚理解，所以还没有形成较为全面的MEMS汽车传感器可靠性研究方法。尽管S.Arney等人对MEMS可靠性的设计问题进行了探讨，概述了MEMS可靠性设计的基本概念、定义，初步分析一些失效模式；De Wolf等人讨论了RF-MEMS的可靠性设计的概念和初步的设计方法和考虑因素；Muller Fiedler等人采用费用使用可靠性整体分析方法在MEMS产品可靠性设计过程中考虑费用问题，优化可靠性设计与费用之间的关系，初步探讨了MEMS产品可靠性因素问题；Nan Liu以器件性能为出发点初步探讨了基于可靠性的MEMS系统的建模与优化问题；R.Sosing等人初步探讨建立相关的可靠性知识库研究MEMS可能存在的可靠性问题的方法等。这些为可靠性设计的研究提供了帮助，但是也有很大的局限性，大多只是从单个角度（如费用、器件性能、知识库）对MEMS的可靠性研究进行了探讨，对产品开发某个阶段的可靠性因素进行了一定的分析，但对MEMS产品开发的各阶段的可靠性因素的作用与相互关系还缺乏清楚的理解，同时在MEMS汽车传感器开发设计过程中可靠性因素的考虑和反馈机制还重视不够，往往在产品开发的后期才引起关注，缺乏较为全面的MEMS汽车传感器可靠性研究方法。（2） 因为MEMS系统工作原理涉及多学科、多领域，绝大多数MEMS装置都包含可动部件，因此MEMS汽车传感器在其制造和使用中容易发生原因复杂的失效。我们对许多MEMS的失效机理还不清楚，对不同失效机理间的内在联系和相互作用以及它们对MEMS可靠性的影响也没有充分的研究，缺乏科学合理的可靠性因素评估体系和失效模型。MEMS产品的生产制造，从某种程度上来说是基于集成电路大规模生产的。然而，MEMS对可靠性的要求超过了集成电路。在B.Stark编辑的MEMS Reliability Assurance Guidelines for Space Applications一书初步提出了太空应用中的MEMS缺陷来源和失效机理分析以及它们对MEMS可靠性的影响；De Wolf等人以RF-MEMS为例对MEMS可靠性定义、失效机理及失效模式影响分析等进行了探讨；Tai-Ran Hsu探讨了MEMS封装的可靠性研究，提出了封装中的机械、内应力等的失效机理；M.Tabib-Azar和C.L.Muhlstein等人分别讨论了在长期循环负载下MEMS材料疲劳和老化的问题；D.M.Tanner等人探讨了振动和冲击环境下MEMS的可靠性；W.M.V.Spengen等人探讨了表面显微机械加工中粘合的物理机理及其对MEMS可靠性的影响等。这些为MEMS传感器的失效机理、失效模型等研究提供了帮助，但是由于MEMS产品材料、制造、使用环境的复杂性，在微尺度作用下，MEMS表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应都远远超出宏观和物理规律范畴，宏观下机械系统的失效模式、失效机理和失效分析不能完全解释和指导MEMS的可靠性研究与失效分析；虽然前人已对一些具体应用中和振动、冲击、长期负载等具体环境中的器件和加工工艺中的失效机理进行了探讨，但还不够，因为目前许多MEMS的失效机理还不清楚，不同失效机理间的内在联系和相互作用以及它们对MEMS可靠性的影响也没有充分的研究，缺乏科学的可靠性因素评估体系和合理的失效模型。本文针对以上问题从两方面对MEMS汽车传感器的可靠性研究进行探索。结合后面地寿命模型的定量描述，绘制研究结构示意图如图2.1所示。各阶段可靠性因素分析产品整体可靠性分析可靠性研究流程失效原因设计方法研究失效机理模拟研究平台MEMS汽车传感器可靠性研究失效现象模拟平台搭建失效模式失效分析失效模型按失效时间失效分类按失效过程可靠性因素分类可靠性因素评估体系按失效原因可靠性因素评估可靠性参数确定和提取工作失效率寿命模型定量描述产品寿命预测 图2.1 MEMS汽车传感器的可靠性研究结构示意图本文通过分析在传感器开发过程中不同阶段的可靠性因素的实现，以及设计过程中器件结构、材料特性与设计参数的相互影响，建立基于阶段主导可靠性因素的MEMS汽车传感器可靠性设计方法和模拟设计平台。因为可靠性问题涉及概念、设计、制造、封装、使用等各阶段，包括如产品设计、材料选择和加工工艺等诸多因素，因此在MEMS汽车传感器产品开发的不同阶段，需要考虑不同的可靠性因素。如图2.2所示。MEMS汽车传感器开发所有阶段概念阶 段封装阶段使用阶段制造阶段设计阶段参数变化工艺选择组成元件功能材料特性结构参数性能变化工艺选择内部变化环境因素图2.2 MEMS汽车传感器开发所有阶段可靠性考虑示意图在产品开发的所有阶段，都会出现不同的问题，都会对产品的可靠性产生影响。因此在各个阶段我们都要加以重视，做好评估与测试，确定各阶段的可靠性主导因素。同时我通过分析开发设计过程中器件结构、材料特性与设计参数的相互影响，进而建立基于阶段主导可靠性因素的MEMS汽车传感器可靠性设计方法和模拟设计平台，如图2.3所示。同一阶段可靠性重要度分析不同阶段可靠性因素分析主导可靠性因素MEMS汽车传感器整体可靠性分析 因素间的相互影响图2.3 MEMS汽车传感器可靠性分析示意图本文通过分析MEMS汽车传感器可靠性要求与宏观设备的可靠性要求的差异，从微结构本身和微系统的装配与封装等对寿命的影响，失效的主要原因等，本文探讨了MEMS传感器中的特定可靠性因素和失效机理，并建立完整的可靠性因素评估体系和失效模型。首先我们重点进行失效分析的研究。失效分析包括失效原因、失效机理、失效现象、失效模式等四部分，如图2.4所示。MEMS汽车传感器失效分析失效模式失效现象失效机理失效原因图2.4 MEMS汽车传感器失效分析组成在具体失效分析中，因为在微尺度作用下，MEMS表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应都远远超出宏观和物理规律范畴，所以在宏观下机械系统的失效模式、失效机理和失效分析不能完全解释和指导MEMS的可靠性研究与失效分析。在比较MEMS与宏观设备的寿命时，MEMS的可靠性因素揭示出两者的一些基本差异，伴随附加小型化而来的表面积体积比的线性增加，导致受力最终不再由体积决定，而是由表面影响来决定。对于装备在汽车系统中的MEMS传感器，机械冲击载荷、湿度、高温和温度冲击是造成失效的主要原因，如下表2.1所示。表2.1 MEMS汽车传感器失效模式机械电电-机热热-机化学冲击类型载荷共鸣共振薄膜断裂弹簧断裂充电介质击穿短路断路电阻漂移失调偏移电迁移粘连材料软化材料松驰蠕变热膨胀系数不匹配产生机械应力腐蚀湿气氧化对于MEMS传感器可靠性研究，我们应需着重考虑物理学、化学及电学因素对零部件或系统失效的影响，并进一步探究与失效表现形式相关的一些典型特性。本文通过分析失效的时间、失效的过程以及失效的具体原因，通过对失效在产品寿命的三个阶段发生的时间及表现，进一步研究失效发生率的时间相关性，进行MEMS汽车传感器失效机理分析，如图2.5所示，从而掌握器件的失效机理，建立失效分析模型和完整的可靠性因素评估体系。MEMS汽车传感器失效机理机械故障环境因素封装失误内应力材料失效机电作用 图2.5 MEMS汽车传感器失效机理分析3 寿命分布模型的描述MEMS汽车传感器系统研究目标就在于提高MEMS传感器的可靠性，即提高其寿命。虽然前人从制造、环境条件等某些角度或针对某些具体MEMS器件对MEMS可靠性进行了定性分析，同时运用数学工具进行了定量分析的探索，但是由于制造、封装、应用等各环节中的不确定因素众多，可靠性参数提取困难，失效分析也还不充分，同时对MEMS传感器可靠性在应用中涉及到汽车环境的研究较少，所以还是缺乏对传感器系统寿命分布模型有效的定量描述。例如X.Lafontan等人提出了失效分析-质量保证分析方法，并对MEMS的寿命分析进行了探讨；S.L.Miller等人以微型梁单元结构为研究对象，采用有限元方法，分析了表面粗糙度和表面损伤对MEMS器件寿命的影响；Tao Jiang等人以微谐振器为例探讨了表面显微机械加工MEMS的失效分析和寿命分布；Xingguo Xiong等人分析了自修理式MEMS加速度计的可靠性和寿命分析等。这些对本文MEMS汽车传感器系统寿命分布模型的建立和定量分析提供了帮助。本文通过研究MEMS汽车传感器系统工作寿命期的基本相关因素，对传感器系统寿命分布模型进行定量描述，确定和提取可靠性参数，从而能够确定器件的工作失效率和预测系统及器件的典型寿命。产品的寿命周期可分为三个阶段：初期、中期、末期。中期即产品的稳定工作期。失效率保持稳定。对MEMS汽车传感器系统工作寿命期的基本相关因素进行分析，从而能对产品可靠性进行定量描述。相关因素示意图如图3.1所示。预期作用、任务要求系统预期寿命服务期汽车传感器系统（特性曲线、可靠性参数）工作条件（环境条件、机械应力）可靠性的定量描述寿命分布 图3.1 对系统可靠性进行的定量表述考虑因素可靠性参数的提取。许多可靠性参数必须在相应条件下由实验确定。一般采取人为加速老化的实验。实验之后，根据具体传感器提出合适的模型，将实验结果外推至实际使用环境中。同时可采用数学模拟方法如FEM模拟。这样通过实验与拟同时进行的方式，使参数如残余应力、结构厚度、颗粒特性等对系统的影响量化，最终在模型的基础上可以达到优化MEMS传感器设计的目的，预测和提高其寿命。4 MEMS汽车传感器的研究应用现状，以及介绍几种MEMS汽车传感器。4.1 研究应用现状 MEMS技术是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，其研究开发主要集中在微传感器、微执行器和微系统三个方面。目前主导MEMS市场的传感器已形成产业。用此技术研制的五花八门的微传感器具有体积小、质量轻、响应快、可靠性高、灵敏度高、易生产、成本低的优势，可以测量各种物理量、化学量及生物量。在市场引导、科技推动、风险投资、政府介入等多重作用下，用于汽车工业的MEMS传感器发展迅速，现已成为相关部门争先投资开发的热点。在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，技术上日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。近几年来，从半导体集成电路技术发展而来的微机电系统技术日渐成熟。微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1mm2以下。随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。4.2 几种MEMS汽车传感器的介绍4.2.1 压力传感器汽车电子控制系统一直被认为是MEMS压力传感器的主要应用领域之一，可用于测量进气歧管压、大气压、油压、轮胎气压等。最流行的汽车MEMS压力传感器采用压阻式力敏原理，这是现有几种力敏传感器中用量最大的一种，开发出几代产品，年产量为数千万只。这种传感器用单晶硅作材料，以MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在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，来获得高灵敏度，其输出大多为05V模拟量，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，易于批量生产，力敏芯片受温度影响性能采用调理电路补偿。4.2.2 微加速度计微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个小质量物体块（约10mg），无加速度时质量块不运动，而当有垂直方向加速度时，质量块运动，对加速度敏感，并转换为电信号，经C/V转变、放大相敏解调输出。按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。其中，电容式微加速度计质量块在有加速度时向下运动，与边框上的另一个电极的距离发生变化，通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移，主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状的折叠梁式，并变异成其它类型。前者结构相对简单些，制作上也多采用体硅加工方法，简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成，用半导体平面工艺各向异性腐蚀，静电封接技术封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并、串组合，设计上要复杂得多，微加工方法则以表面牺牲层技术为主，多晶硅材料的各向同性性质可保证微机械性能的对称性，批量加工精度高，采用这种结构的敏感部分尺寸做得很小，实现与外围电路的单片集成。电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单，在汽车安全气囊系统和防滑系统获得广泛应用。4.2.3 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。5 结束语MEMS技术在工业中的应用将对各个领域产生重大影响，MEMS可靠性研究是MEMS技术成功应用的重要因素之一。本文提出了基于阶段主导可靠性因素的MEMS汽车传感器可靠性研究方法；并对如何对MEMS传感器系统寿命分布模型进行定量描述做了初步探讨。在今后MEMS可靠性方面的研究的后续工作中需重点解决以下问题：需要研究采用现代先进测量和探测技术，观测并确定MEMS失效方式、失效位置和失效范围；在设计阶段对材料的性能与制造工艺的影响应进一步深入研究；阶段主导可靠性因素确定的准确性需要采用更有效的函数模型；可靠性参数的提取采用更有效的模拟方法等。显而易见，在不久的将来，传感器在汽车方面的应用将继续成为MEMS技术的一个重要市场。如今传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计几乎已经完全被微型化的传感器所代替。在轮速测量、发动机油压力和刹车压力测量方面，人们正在考虑或已经开始用基于MEMS技术的传感器来取代已有的产品。此外，人们还在考虑在许多新开发的系统中采用微型传感器。价格、可靠性和体积等方面的优势将使微型传感器成为汽车中各中参数测量的首选产品。目前这些优势已为实践所证实。汽车用微型传感器已受到科研机构及厂商的高度重视。参考文献：1 慈勤蓬，杨鹤立汽车四轮定位装置及倾角传感器的应用J传感器世界，2002,25(9):38-41.2 刘成刚.MEMS传感器在汽车中的应用及发展