加速度传感器在我国高铁产业应用上的困境分析

现今,加速度传感器可用于对动车组的失稳、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。

  目前,我国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。据预测,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。


  加速度传感器已广泛应用于高铁产业

  据国内消息,2019年,“复兴号”智能版列车将上线运行,在世界上首次实现时速350公里自动驾驶。作为能够测量加速度的传感器,加速度传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。现今,加速度传感器可用于对动车组的失稳、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。

  一般而言,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。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。

      加速度敏感器件国货难寻

      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。   

  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。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。    

      为保障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。

  相比之下,国内规模最大、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。一般而言,月产千万只,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。 

  MEMS加速度传感器国产化事不宜迟

  有专家认为,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。   

  而且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。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。

  目前,我国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专用集成电路等关键技术。   

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