- 加速度傳感器：高鐵敏感元器件國貨難覓
- 來源：科技日報 發表于 2020/7/1
加速度傳感器負責對動車組的失穩、車廂舒適度和走行部件健康狀態進行檢測，廣泛應用于軌道交通系統。
“要保證動車組高速平穩行駛，首先要由加速度傳感器對來自X（軸）、Y（徑）和Z（垂）向的應力進行實時監測，并將電信號傳輸給列車指揮系統。”北京交通大學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中了解到，由于我國傳感器產業長期處于產業鏈中下游，加速度敏感器件進口率達80%以上。
最小長度為頭發絲直徑的1/50
加速度敏感器件屬高端芯片，多采用MEMS工藝制造。
MEMS是一門綜合學科，涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、原子、表面等物理學的各分支，乃至化學、生物、醫學和儀器等各領域，學科交叉很強，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，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整體的技術。”寧波中車時代傳感技術有限公司副總經理呂陽介紹說，相比傳統的厘米級機械器件，MEMS器件尺寸非常微小，長度從1毫米到1微米，而一根頭發絲的直徑大約是50微米。
硅是MEMS的主要材料，其電氣性能優良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。“一塊幾微米的MEMS傳感器芯片，要集成七八種機械配件。”呂陽說。
目前全球擁有整個MEMS產業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，全球市場占有率達90%以上。
國產MEMS器件量產僅有X、Y軸向
為保障高鐵的故障率僅允許的百萬分之一，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。呂陽透露，目前世界最先進的敏感器件為三軸，標準為零點偏置±50mg甚至更小、零點溫度誤差±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、專做MEMS的企業美新，目前能形成量產的還是兩軸產品，僅能測量X、Y向。MEMS傳感器品類眾多，以萬為單位，且不同MEMS傳感器之間參量較多，消費類加速度敏感器件，不能直接應用于高速軌道交通行業，需要進行可靠性優化設計。“這種行業特性，要求企業在前期研發上必須投入巨資。”呂陽說，一般而言，月產1000萬只，才能保證MEMS傳感器市場盈虧平衡。根據調查，國內絕大多數企業都遠低于這一規模。
秦勇認為，起步晚、研發和材料工藝落后、資金和人才嚴重匱乏，以及產學研脫節等，都是國內MEMS行業發展滯緩的重要因素。
SOI工藝加工等關鍵技術已突破
高鐵產業需要大量傳感器，一列8編組動車組需要上千傳感器，實時采集與監測車輛狀態數據。
到2020年，中國高鐵里程將新增5000公里，達3萬公里，而且還將提升智能化水平。“這意味著對加速度、角度和溫度等傳感器的巨大需求。”秦勇表示。
來自中國中車和中國鐵建消息，2019年，“復興號”智能版列車將上線運行，在世界上首次實現時速350公里自動駕駛；而中國鐵建電氣化局設計研發的高鐵供電線材之一，即棘輪智能在線監測裝置，在國內首創組裝高精度角度傳感器、溫度傳感器和振動監測傳感器，其中角度傳感器測量精度±0.1°,溫度傳感器測量精度±0.1℃。
無疑，后續我國軌道交通行業仍需要大量傳感器。
“目前國產軌道交通裝備傳感器尚屬二代產品，仍以模擬量傳輸為主，易受干擾，同時在惡劣條件下發生故障后，尚無法實現自診斷，不具備自愈能力。”秦勇說，MEMS工藝就是要實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加速度傳感器國產化替代正緊鑼密鼓。
“相關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專用集成電路等關鍵技術。”呂陽說。
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器件具備工藝簡單、漏電流小、無閂鎖效應、電流驅動能力強等諸多優點。（記者 矯 陽）
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