MEMS 传感器在航空航天的全方位应用

在航天领域，武器装备是MEMS技术的最早应用，对推动MEMS技术的进步起到了很大作用。大量采用MEMS器件,以改进武器性能,已成为美国发展新型高科技武器装备的方向。美国和西方国家为了掌握现代战争的主动权，大力发展战场侦察传感器、智能军用机器人等以增加武器效能，军用武器装备的小型化是重要的发展趋势。

根据美国DARPA公布的资料，MEMS在武器装备中的主要应用领域包括：用于武器制导和个人导航的惯性导航组合，单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测和救护等，武器安全、保险、引信和无人值守分布式传感器,炮弹弹道修正、子母弹开仓控制，超小型、超低功率无线通信信号处理、小型分析仪器，高密度、低功耗的大量数据存储器件，敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件等方面。

因此，航空航天传感器主要有状态传感器，环境传感器之分，前者包括各种活动机件的即时位置传感器，如襟，副翼位置，喷口大小，油门位置，减速板位置，起落架收放位置等，飞机状态传感器，如迎角，侧滑角传感器，飞机姿态传感器等，各种参数如液压，油压，发动机振动量，滑油金属屑，各种消耗品如油料剩余量，消耗速度等，还有结冰传感器，火警传感器，极限传感器，过载传感器，生命传感器以及各种多余度系统的自动转换传感器。

环境传感器主要有温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、压力传感器、流量传感器等。

MEMS传感器在航空航天领域中主要有五种用途:

• 提供有关航天器的工作信息，起故障诊断的作用;

• 判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案;

• 提供全系统自检所需信息，给指挥员决策提供依据;

• 提供各分系统、整机内部检测参数，验证设计的正确性。

• 监测飞行器内外部的环境，为飞行员航天员提供所需的生存条件，保障正常飞行参数。

采用MEMS技术制造的微型惯性测量单元(MIMU)，没有转动的部件，在寿命、可靠性、成本、体积和质量等方面都要大大优于常规的惯性仪表。所生产出来的标准化的、高性能航天器姿态测量仪器性能更好，价格更便宜，而且在航空航天平台均能使用。采用MIMU器件可使装置的重量大大减轻。

其主要应用场景包括：

1．弹药安全保险与引爆装置

弹药在贮运过程中要求安全保险, 在战斗中又能可靠引爆, 不能出现“哑弹”。哑弹战时会延误战机, 而战后哑弹的排除既费时, 费钱, 又十分危险。在大规模战争中, 投弹量可达天文数字, 如果哑弹仅占1%～2%, 其数量也是相当可观的, 因此, 确保各类弹可靠引爆是国防科技中一个非常重要的课题。

MEMS加速度传感器可用子弹的引爆, 可大幅度提高引爆的可靠性及贮存的安全性。据称, 其引爆可靠性比传统方法可提高5～10倍, 使战场上哑弹数量降低一个数量级。由于MEMS加速度传感器重量轻, 体积小、可靠性高, 因而, 即使在小型炸弹或炮弹上也可使用, 使武器系统更加安全可靠。

美国利用MEMS加速度传感器代替弹的安全保险/引爆装置的研究计划已经启动。AD公司生产的MEMS加速度传感器由于具有自检和自校功能且可靠性好, 而首先被用于带推力装置的飞弹上, 此项试验工作已于1996年开始。这类MEMS安全保险, 引爆装置在装备部队之前需作大量试验, 可能要发射数千发弹, 以考察其安全性和可靠性。MEMS引爆装置还将在多用途弹上试验。该安全保险/ 引爆装置如果装备部队, 其需求量将相当可观。

2. 惯性制导弹

当前武库中, 绝大多数炮弹或炸弹尚未采用制导, 故命中率较低, 将MEMS惯性测量器件用于常规弹上进行惯性制导与控制, 可大大提高命中率。若MEMS惯性制导器件与全球定位系统( GPS) 结合使用, 便可精确定位, 以代替十分昂贵的自动寻的系统或目标指示器, 从而可比较准确地击中目标。研究表明, 从30km外攻击20×30m²目标时, 对于非制导炮弹, 弹着点散布直径为250m; 若要求击中概率达90%, 则需用364发炮弹。若改用惯性制导, 则弹着点散布直径为64m, 如击中概率维持不变, 则只需发射30发炮弹, 弹药消耗降低了10倍。提高命中率在战斗中具有重要意义, 还可大大减轻后勤负担和军火的消耗, 提高部队作战的机动性和战斗力, 减少自身的伤亡。对于先遣部队, 只需少量弹药便可迅速摧毁敌方目标, 提高杀伤力, 还能在后勤供应受阻情况下提高部队的支撑能力。

MEMS惯性制导器件具有体积小、重量轻、结构强度高等特点。据报道, MEMS惯性制导弹可以经受住火炮发射时30000g 的加速度, 也能经受住反坦克弹发射时10⁵g的加速度, 因而可以用在榴弹炮、迫击炮、或火箭上。从技术上看, MEMS惯性制导方案是完全可行的。因此, 制导用的MEMS惯性测量器件需求量非常之大。例如, 美国国防部有关部门推算, 在和平时期, 每年大约使用25～50万只MEMS惯性测量器件来逐步改造现有的非制导弹。

3. 稳定平台

飞机、导弹、坦克、舰船等军事设备上, 平台用得很多, 典型的稳定平台系统需用加速度传感器和陀螺仪各3只。MEMS加速度传感器和陀螺仪由于其许多优点可望在平台系统使用。

MEMS陀螺仪还可用于航空航天电子设备、自动驾驶仪、炮座、坦克转塔、跟踪天线和弹射座椅上。

目前, MEMS陀螺仪虽然在可靠性和技术成熟程度上比不上MEMS加速度传感器, 但是在实验室已能提供性能相当好的样品, 在近期内应用MEMS惯性测量元件的平台无疑将被提到日程上来。

4. 人员与车辆的导航

集成单片式MEMS惯性测量元件可用于地面导航。目前虽然GPS可以精确定位, 但需要有4颗或4颗以上卫星才能准确定位。在丛林、山谷或城市中, 这些条件有时得不到满足, 因此GPS定位尚有一定局限性。

MEMS陀螺仪由于其漂移率较大尚不能单独地、长期地进行精确导航。为克服上述困难, 可将GPS与MEMS陀螺结合使用。用GPS对MEMS陀螺校准, 在GPS无法定位的地区, 采用MEMS陀螺作辅助导航。作为近期目标, 要求MEMS陀螺在GPS校准之后, 在2～4小时内仍可用它进行准确的导航。不难看出, 降低MEMS陀螺的漂移率已是当务之急。

下面再从其他角度来介绍MEMS技术在测控技术中的应用。

1.按运行状况进行设备维护（CBM）

飞机、坦克、车辆等军用设备, 通常采用定期维修的方法, 这是一笔巨额开支; 据称美国国防部每年至少要花200亿美元( 尚不包括维修人员的工资) 用于设备维护。采用CBM法维护设备可以节省大笔维修经费。由于MEMS传感器很小, 可将其装在军事设备的关键部位, 对零部件和材料的运行状况进行实时监测, 监测参数包括温度、压力、流量、振动、加速度等等, 然后根据监测数据确定维修方案, 即按运行状况进行维修。

鉴于采用MEMS技术可在硅片上制作可动的微镜或微梁, 可用静电方法控制其位置, 故可对其进行编码并通过光学系统来传递信息, 供敌我识别用, 还可采用红外技术供夜间使用。由于MEMS器件很小, 功耗又低, 可以很灵活地将其贴在车辆或武器表面, 并可贴在不同部位, 便于从不同方位进行检测。微动件可像口令那样按需要进行编码, 故这类器件的保密性好, 即使战斗中落入敌人手里, 也可通过改变编码以保证敌我识别的安全性。敌我识别芯片上还可装上自毁装置, 以防落入敌人手中。

MEMS敌我识别系统的建议已引起了美国军事部门的重视。

6.机翼气动力控制

采用MEMS技术可以在硅片表面制造可动的薄片阵列, 可按需要灵活地调节薄片的位置。如将其装在机翼表面, 适当调节可动薄片的形状便可以改变翼面的气动力特性, 还可减少或消除翼面涡流, 使飞行速度更快、航程更远, 或有效载荷更大。改变MEMS变形表面的形状, 还可改善飞机的机动性能或操纵性能。如可动表面装在直升机螺旋桨上, 适当调节其位置, 还可提高螺旋桨的升力。同理, 如果将其用于潜艇螺旋桨上, 可以减小螺旋桨发出的噪音, 提高潜艇的隐蔽性。需要指出的是, 用MEMS可动表面调节机翼气动特性的预研工作已在进行, 但尚未见到有关研究的进一步报道。

采用MEMS技术还可以制作高分辨率显示器。TI 公司已生产出由400万个微镜阵列组成的显示器, 用于投射式大屏幕显示, 图像十分清晰。这类显示器可用于指挥部、信息中心、控制中心或导弹发射基地。用MEMS技术制作的微梁阵列可以满足这一要求。用静电方法可控制微梁位置, 从而控制光线的折射和反射。每一微梁即为一像素, 其分辨率取决于微梁的密度。

MEMS显示器属超大规模微机械的集成, 工艺技术要求十分严格。在美国, 这种显示器已开始走出实验室, 即将转入小批量生产。现在的问题是如何提高成品率、提高性能/ 价格比, 以便有更多的用户选用。

此外，在战况信息传递方面，已开发出机载传感器和通信用的微功率源和微通信元件。这些器件将形成覆盖范围广，且完全自主控制的传感器网络，这些新型微系统芯片将使战斗机和无人驾驶侦察机具有地形识别、通信和其他扩展功能。

MEMS在军事中的应用主要包括加速度传感器、压力传感器、化学传感器等。MEMS加速度传感器在航空航天应用在姿态航向基准系统；捷联惯性测量单元；飞机导航系统；飞行控制系统；包括颤振测试在内的飞行期间结构测试；健康系统测试；稳定性测试；地面振动测试(风洞试验)；模态测试；发动机控制系统、制导系统等。

MEMS化学传感器这种类似于电子鼻的高温传感器阵列是用于检测和控制航空和汽车发动机的排放物质。通过分析电子鼻产生的信号确定排放系统废气的成分。MEMS压力传感器航空航天传感器在飞行中、飞行试验、发动机测试验、结构强度试验、风洞试验，以及在设备的制造生产过程中应用十分普遍。压力测量的特点是：被测压力种类多、涉及范围广，测压点多，要求测量精度高。

航天航空集当代先进制造技术、信息技术和材料技术于一身，对传感器的要求越来越高，MEMS传感器发展方向是多功能化、小型化、智能化、集成化，随着产品可靠性进一步提高和价格降低，制作技术发展的不断成熟和完善，MEMS传感器在航空航天领域的应用将会在更广泛范围取代传统传感器。