MEMS汽車傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

遲亞海 周元超

四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省成都市 611130

汽車傳感器設(shè)計(jì)是汽車生產(chǎn)較為重要環(huán)節(jié)，對(duì)于汽車的整體性能的提高有著直接的影響。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)汽車傳感器的性價(jià)比也提出了更高的要求，從設(shè)計(jì)的理念、原則等角度出發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行更好的優(yōu)化成為發(fā)展的關(guān)鍵。因此，加強(qiáng)對(duì)MEMS汽車傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)中存在的不足，提出針對(duì)性的指導(dǎo)建議，在保證傳感器性能滿足要求的同時(shí)，降低生產(chǎn)陳本，取得更好的競爭優(yōu)勢(shì)。

1 MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本理論

1.1 MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)

MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合性是比較強(qiáng)，涵蓋各個(gè)方面的內(nèi)容，不僅需要有相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)作為指導(dǎo)，還需要相應(yīng)的計(jì)算機(jī)提供服務(wù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的分析。MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后續(xù)加工與測(cè)試工作的進(jìn)行也在設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)整體的產(chǎn)品性能發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。相較于加工技術(shù)，MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)有著更高的要求，其輔助機(jī)械與技術(shù)是非常重要的，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用。MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)在當(dāng)前的發(fā)展中更為趨向于自動(dòng)化、智能化，滿足時(shí)代多元化發(fā)展的需求，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，更好的拓展市場(chǎng)，也實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

1.2 MEMS設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，其不僅是設(shè)計(jì)理念的充分體現(xiàn)，也是對(duì)設(shè)計(jì)行為的基本規(guī)范。MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)的重點(diǎn)主要體現(xiàn)非電信號(hào)與電信號(hào)、電能與機(jī)械能等能量之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著較大的影響。MEMS設(shè)計(jì)方法主要有三種，一是有限元FEM，另一個(gè)是邊界元BEM，有限差分也是數(shù)值分析方法之一。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、器件級(jí)設(shè)計(jì)、工藝級(jí)設(shè)計(jì)是不同的設(shè)計(jì)手段要求，其難度層次逐級(jí)遞減。

首先，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的整體性是比較強(qiáng)的，需要綜合各個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行分析，數(shù)值分析法在其中的應(yīng)用具有一定的局限性，其設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化更加趨向于簡單動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建，減少了MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)中多種能量之間的轉(zhuǎn)換。器件級(jí)設(shè)計(jì)是較為單一的，有著針對(duì)性的研究對(duì)象，但是需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以加強(qiáng)數(shù)值分析法在器件級(jí)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過大量信息數(shù)據(jù)的收集提供更為扎實(shí)的理論依據(jù)。但是，需要重點(diǎn)注意數(shù)值分析法在具體應(yīng)用中存在的局限性，所需時(shí)間較長，需要進(jìn)行重點(diǎn)的優(yōu)化。工藝級(jí)設(shè)計(jì)與硅機(jī)械加工技術(shù)有著緊密的聯(lián)系，主要進(jìn)行精密的加工，對(duì)尺寸進(jìn)行精密的計(jì)算與優(yōu)化。在當(dāng)前的發(fā)展過程中，MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)一般涉及毫米到微米加工環(huán)節(jié)，而且MEMS封裝技術(shù)和集成版圖設(shè)計(jì)也有著較大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)工藝比較成熟，可以大大提高版圖設(shè)計(jì)的效率與封裝的成本，給汽車傳感器性能的提高也帶來更大的優(yōu)勢(shì)。

2 MEMS汽車傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MEMS汽車傳感器的智能集成設(shè)計(jì)

在技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，汽車傳感器的廣泛應(yīng)用給汽車帶來了很大的提升空間，也使得汽車各方面的性能得到了很大的提高。MEMS汽車傳感器的智能集成設(shè)計(jì)，主要是從傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)出發(fā)的，對(duì)傳感器的使用性能進(jìn)行優(yōu)化，提高其穩(wěn)定性、安全性。MEMS汽車傳感器的智能集成設(shè)計(jì)是綜合MEMS技術(shù)、集成化和智能化為一體的。

首先，MEMS技術(shù)是從傳感器基本框架模型出發(fā)的，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體性的開發(fā)，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可用性。在實(shí)際的操作過程中，MEMS技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化采取自上而下的方法。第一步，對(duì)汽車傳感器的系統(tǒng)需求、特性、加工性能進(jìn)行分析與了解，從而得出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方向。第二步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要將傳感單元設(shè)計(jì)與信號(hào)評(píng)測(cè)電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)行機(jī)械布局與電子布局，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本框架。第三步，對(duì)機(jī)械布局與電子布局進(jìn)行整合，形成整體性布局，完成系統(tǒng)開發(fā)的基本流程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要注意每個(gè)步驟之間都有一定的聯(lián)系，自上而下進(jìn)行，同時(shí)也自下而上的進(jìn)行信息的反饋，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的缺陷，進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。其次，是傳感器智能化模型的構(gòu)建，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)配，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能具體的分工。智能汽車傳感器系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)的完成，可以充分體現(xiàn)性能的整體優(yōu)勢(shì)。最后，汽車傳感器系統(tǒng)的具體應(yīng)用，采用多傳感器信息融合算法，并且結(jié)合人工智能，實(shí)現(xiàn)汽車傳感器的自動(dòng)化與智能化處理。

2.2 MEMS多域耦合和仿真分析

微器件包含多種類型，是微機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分。MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的范圍是比較廣泛的，其能量之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)于光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域都有一定的深入研究。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱傳輸學(xué)、流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)是MEMS系統(tǒng)學(xué)科交叉，不同的組合方式形成了不同的應(yīng)用原理，如熱激勵(lì)響應(yīng)熱致動(dòng)器、微致冷器流量和熱傳感器等。MEMS多域耦合是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性有著較高的要求，保證物理域綜合可以正常運(yùn)行。電域、結(jié)構(gòu)力學(xué)域、熱域、流體域是常見的多域耦合效應(yīng)，電域與熱域、結(jié)構(gòu)力學(xué)域之間有一定的關(guān)系，而結(jié)構(gòu)力學(xué)域、熱域與流體域之間也有一定的關(guān)系，通過關(guān)系交合實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在MEMS多域耦合中，需要重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)領(lǐng)域的特性，進(jìn)行針對(duì)性的分析優(yōu)化，通過調(diào)整達(dá)到平衡狀態(tài)。能量場(chǎng)分為保守能量場(chǎng)、非保守能量場(chǎng)兩種，保守能量場(chǎng)能量是守恒的，非保守能量場(chǎng)會(huì)存在能量的損耗，需要用解析法進(jìn)行單獨(dú)的運(yùn)算求解。MEMS多域耦合在多物理域的條件下，運(yùn)算具有一定的難度，此時(shí)可以利用降價(jià)法進(jìn)行處理，綜合多方面的情況進(jìn)行求解，從而實(shí)現(xiàn)高效精確的求解，取得更好的效果。耦合MEMS器件的動(dòng)態(tài)仿真也是存在的問題之一，采用降價(jià)法進(jìn)行處理有利于模型的構(gòu)建，也可以形成更為整體性的系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬主要分為系統(tǒng)級(jí)模擬、基于能量的宏模型和器件級(jí)模擬，有著具體的層次劃分，相應(yīng)的也有不同的要求。

2.3 面向MEMS的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)和算法

MESE設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于多學(xué)科之間的交叉，通過不同的材料加工與方法進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)多物理域的協(xié)調(diào)，從而使得MEMS多域耦合更好的配合運(yùn)行。MEMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性較高，對(duì)于各方面工作的進(jìn)行有一定的難度，在實(shí)際的操作中可以通過層級(jí)系統(tǒng)、非層級(jí)系統(tǒng)和混合層級(jí)系統(tǒng)等進(jìn)行具體的劃分，從而可以進(jìn)行細(xì)化研究。層級(jí)系統(tǒng)以分級(jí)的方式進(jìn)行劃分，其形成一種樹狀結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)構(gòu)造較為簡單。非層級(jí)系統(tǒng)是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，多物理域相互之間的聯(lián)系緊密，形成不同的交互關(guān)系?；旌蠈蛹?jí)系統(tǒng)是樹狀與網(wǎng)狀的混合，對(duì)于系統(tǒng)的劃分有著更大的優(yōu)勢(shì)，在MEMS優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是比較廣泛的。MEMS系統(tǒng)的優(yōu)化主要分為四個(gè)框架，分別是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、封裝子系統(tǒng)、非MEMS子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)。對(duì)于非MEMS子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和封裝子系統(tǒng)需要進(jìn)行重點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，器件結(jié)構(gòu)也需要關(guān)注生產(chǎn)成本和驅(qū)動(dòng)方式，從加工工藝的提高等方面入手，提高系統(tǒng)的性能與安全。MEMS多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)其系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行的，多個(gè)領(lǐng)域的交叉配合，對(duì)方案設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，通過對(duì)子系統(tǒng)的優(yōu)化，并且以其為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)的整合，充分體現(xiàn)子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，子系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以結(jié)合進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)信息更好的交流，為數(shù)據(jù)的分析提供更多的理論依據(jù)。

2.4 MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

加速度計(jì)主要用于測(cè)量慣性的大小，進(jìn)而分析傳感器加速度的大小與運(yùn)行的安全性。慣性大小與物體的質(zhì)量、加速度有著直接的聯(lián)系，成正比關(guān)系，質(zhì)量相等時(shí)，加速度越大，物體的慣性也就越大。因此，對(duì)于MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)與優(yōu)化可以從質(zhì)量方面進(jìn)行控制，進(jìn)而改變物體所受到的力的大小。在MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，可以采取梳齒式MEMS加速度計(jì)，可以有效的降低加速度計(jì)的有諧振頻率存在的弊端，提高加速度計(jì)測(cè)量的精確度。通過梳齒式MEMS加速度計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際的操作中，對(duì)于MEMS加速度計(jì)整體性能的提高，可以從結(jié)構(gòu)、阻尼、驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路、加工工藝等方面出發(fā)，進(jìn)而詳細(xì)的分析，改善存在的實(shí)際缺陷。在加速度計(jì)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程中，也需要重點(diǎn)注意整體性的優(yōu)化效果，選擇合理的算法，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的交叉配合。

3 結(jié)語

MEMS技術(shù)在汽車傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用取得了很大的成效，改善了傳統(tǒng)傳感器中存在的不足，從不同的角度進(jìn)行深入的分析，結(jié)合各個(gè)領(lǐng)域的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域更好的結(jié)合。MEMS汽車傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)化，還需要考慮材料、結(jié)構(gòu)、制作工藝等方面的提高，從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行整體性的提高，也使得系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性更高，滿足實(shí)用化發(fā)展的要求，取得更好的效果。