加速度传感器在高铁中的作用

加速度传感器负责对动车组的失稳、车厢舒适度和走行部件健康状态进行检测，广泛应用于轨道交通系统。
“要保证动车组高速平稳行驶，首先要由加速度传感器对来自X（轴）、Y（径）和Z（垂）向的应力进行实时监测，并将电信号传输给列车指挥系统。”北京交通大学教授秦勇告诉科技日报记者，加速度敏感器件负责完成电信号的传输，是高端加速度传感器中的核心部件。
科技日报记者在采访中了解到，由于我国传感器产业长期处于产业链中下游，加速度敏感器件进口率达80%以上。较小长度为头发丝直径的1/50加速度敏感器件属高端芯片，多采用MEMS工艺制造。
MEMS是一门综合学科，涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、原子、表面等物理学的各分支，乃至化学、生物、医学和仪器等各领域，学科交叉很强，研究难度很大。
“MEMS工艺则是在传统的半导体工艺和材料基础上，利用平面硅加工工艺、体硅加工工艺等微纳米技术，在硅片上制造微型机械敏感器件，并将其与对应电路集成为一个整体的技术。”宁波中车时代传感技术有限公司副总经理吕阳介绍说，相比传统的厘米级机械器件，MEMS器件尺寸非常微小，长度从1毫米到1微米，而一根头发丝的直径大约是50微米。
硅是MEMS的主要材料，其电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。“一块几微米的MEMS传感器芯片，要集成七八种机械配件。”吕阳说。
目前**拥有整个MEMS产业链的公司基本为美日欧公司，有博世、霍尼韦尔、ST（意法半导体）、索尼、ALLEGRO、AKM、TDK、英飞凌等，**市场占有率达90%以上。
国产MEMS器件量产仅有X、Y轴向为**高铁的故障率仅允许的百万分之一，高可靠性的敏感元器件，是加速度传感器集成商的必然选择。吕阳透露，目前世界较先进的敏感器件为三轴，标准为零点偏置±50mg甚至更小、零点温度误差±1mg/℃、灵敏度温度误差±100ppm/℃、噪声低至30μg/Hz，且使用寿命基本在10年以上。
相比之下，国内规模较大、专做MEMS的企业美新，目前能形成量产的还是两轴产品，仅能测量X、Y向。MEMS传感器品类众多，以万为单位，且不同MEMS传感器之间参量较多，消费类加速度敏感器件，不能直接应用于高速轨道交通行业，需要进行可靠性优化设计。“这种行业特性，要求企业在前期研发上必须投入巨资。”吕阳说，一般而言，月产1000万只，才能保证MEMS传感器市场盈亏平衡。根据调查，国内绝大多数企业都远低于这一规模。
秦勇认为，起步晚、研发和材料工艺落后、资金和人才严重匮乏，以及产学研脱节等，都是国内MEMS行业发展滞缓的重要因素。SOI工艺加工等关键技术已突破高铁产业需要大量传感器，一列8编组动车组需要上千传感器，实时采集与监测车辆状态数据。

到2020年，中国高铁里程将新增5000公里，达3万公里，而且还将提升智能化水平。“这意味着对加速度、角度和温度等传感器的巨大需求。”秦勇表示。
来自中国中车和中国铁建消息，2019年，“复兴号”智能版列车将上线运行，在世界上**实现时速350公里自动驾驶；而中国铁建电气化局设计研发的高铁供电线材之一，即棘轮智能在线监测装置，在国内**组装高精度角度传感器、温度传感器和振动监测传感器，其中角度传感器测量精度±0.1°，温度传感器测量精度±0.1℃。无疑，后续我国轨道交通行业仍需要大量传感器。
“目前国产轨道交通装备传感器尚属二代产品，仍以模拟量传输为主，易受干扰，同时在恶劣条件下发生故障后，尚无法实现自诊断，不具备自愈能力。”秦勇说，MEMS工艺就是要实现信号输出从模拟改为数字，具备自校正、自诊断、自判断和自愈能力。MEMS加速度传感器国产化替代正紧锣密鼓。“相关科研院所已突破高精度SOI工艺加工、圆片级可调阻尼封装、低功耗ASIC**集成电路等关键技术。”吕阳说。
SOI工艺，指在**层硅和衬底硅之间，引入一层二氧化硅层，起绝缘和隔离作用。基于SOI工艺的MEMS器件具备工艺简单、漏电流小、无闩锁效应、电流驱动能力强等诸多优点。