加速度感測器：高鐵敏感元器件國貨難覓
加速度感測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，廣泛應用於軌道交通系統。“要保證動車組高速平穩行駛，首先要由加速度感測器對來自X（軸）、Y（徑）和Z（垂）向的應力進行實時監測，並將電訊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訊號的傳輸，是高階加速度感測器中的核心部件。
科技日報記者在採訪中瞭解到，由於我國感測器產業長期處於產業鏈中下游，加速度敏感器件進口率達80%以上。
最小長度為頭髮絲直徑的1/50
加速度敏感器件屬高階晶片，多采用MEMS工藝製造。
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，利用平面矽加工工藝、體矽加工工藝等微奈米技術，在矽片上製造微型機械敏感器件，並將其與對應電路整合為一個整體的技術。”寧波中車時代感測技術有限公司副總經理呂陽介紹說，相比傳統的釐米級機械器件，MEMS器件尺寸非常微小，長度從1毫米到1微米，而一根頭髮絲的直徑大約是50微米。
矽是MEMS的主要材料，其電氣效能優良，矽材料的強度、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感測器晶片，要整合七八種機械 ofollow,noindex">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，全球市場佔有率達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，是加速度感測器整合商的必然選擇。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感測器品類眾多，以萬為單位，且不同MEMS感測器之間參量較多，消費類加速度敏感器件，不能直接應用於高速軌道交通行業，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1000萬隻，才能保證MEMS感測器市場盈虧平衡。根據調查，國內絕大多數企業都遠低於這一規模。
秦勇認為，起步晚、研發和材料工藝落後、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
高鐵產業需要大量感測器，一列8編組動車組需要上千感測器，實時採集與監測車輛狀態資料。
到2020年，中國高鐵里程將新增5000公里，達3萬公里，而且還將提升智慧化水平。“這意味著對加速度、角度和溫度等感測器的巨大需求。”秦勇表示。
來自中國中車和中國鐵建訊息，2019年，“復興號”智慧版列車將上線執行，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，即棘輪智慧線上監測裝置，在國內首創組裝高精度角度感測器、溫度感測器和振動監測感測器，其中角度感測器測量精度±0.1°,溫度感測器測量精度±0.1℃。
無疑，後續我國軌道交通行業仍需要大量感測器。
“目前國產軌道交通裝備感測器尚屬二代產品，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後，尚無法實現自診斷，不具備自愈能力。”秦勇說，MEMS工藝就是要實現訊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加速度感測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專用積體電路等關鍵技術。”呂陽說。
SOI工藝，指在頂層矽和襯底矽之間，引入一層二氧化矽層，起絕緣和隔離作用。基於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）