MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

1、MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 電科二班 陳天樂 2021-7-191MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 航空航天航空航天MEMS傳感器的工作環(huán)境傳感器的工作環(huán)境 主要是指飛機(jī)、衛(wèi)星、飛船各類飛行器以及火箭在外層空間飛行時(shí)所處的環(huán)境 條件。它可分為自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境。 自然環(huán)境包括失重和各種空間環(huán)境。誘導(dǎo)環(huán)境是指航天器某些系統(tǒng)工作時(shí)或在 空間環(huán)境作用下產(chǎn)生的環(huán)境。例如：軌道控制推力器點(diǎn)火和太陽電池翼伸展引 起的振動、沖擊環(huán)境。航天器上的磁性材料和電流回路在空間磁場中運(yùn)動產(chǎn)生 的感應(yīng)磁場。航天器上有機(jī)材料逸出物沉積在其他部位造成的分子污染等。 空間

2、環(huán)境是空間飛行的基本環(huán)境條件。對航天器的運(yùn)動和各系統(tǒng)的工作有顯著 影響?？臻g環(huán)境包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、 行星大氣、磁場和引力場等。根據(jù)空間存在的物質(zhì)、輻射和力場的時(shí)空分布特 性。太陽系內(nèi)的空間環(huán)境大致可分為行星際空間環(huán)境、地球空間環(huán)境和其他行 星空間環(huán)境。 航空航天航空航天MEMS傳感器種類傳感器種類 簡單地說，航空航天傳感器主要有狀態(tài)傳感器，環(huán)境傳感器之分。前者包括 各種活動機(jī)件的即時(shí)位置傳感器。如副翼位置，噴口大小，油門位置，減速板 位置，起落架收放位置等。飛機(jī)狀態(tài)傳感器。如迎角，側(cè)滑角傳感器，飛機(jī)姿 態(tài)傳感器等。各種參數(shù)如液壓，油壓，發(fā)動機(jī)振動量，滑油金

3、屬屑，各種消耗 品如油料剩余量，消耗速度等。還有結(jié)冰傳感器，火警傳感器，極限傳感器， 過載傳感器，生命傳感器以及各種多余度系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換傳感器。 環(huán)境傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、壓力傳感器、流 量傳感器等。 優(yōu)勢和空間應(yīng)用優(yōu)勢和空間應(yīng)用 MEMS 技術(shù)首先應(yīng)用在航天技術(shù)領(lǐng)域。是由于航天技術(shù)對器件功 能密度比的要求非常高，也可以說，MEMS 技術(shù)的主要需求牽引來 自于航天領(lǐng)域。MEMS 技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢：極小的質(zhì)量和體 積；低發(fā)射質(zhì)量；低功耗；大部分器件處于電靜態(tài)；小的熱常數(shù)； 可用較低功率來維持溫度，抗震動，抗沖擊和抗輻射。機(jī)械裝置， 如開關(guān)，可以抗輻射加固。低慣性質(zhì)

4、量使MEMS 可抗震動/沖擊， 高集成度，在一個(gè)芯片上集成了多種功能。大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 批量制造，低成本，大批量生產(chǎn)。因此，對航天工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有 著重大的推動作用。 在太空在太空/高空領(lǐng)域使用的高空領(lǐng)域使用的MEMS 技術(shù)的進(jìn)展技術(shù)的進(jìn)展 傳統(tǒng)衛(wèi)星的元器件，用MEMS 技術(shù)批量化生產(chǎn)、在民用產(chǎn)品上已經(jīng) 廣泛應(yīng)用的一些慣性器件。用于大型衛(wèi)星發(fā)射及在軌期間過程控制 的監(jiān)測，為衛(wèi)星上部組件調(diào)控及地面遙控和衛(wèi)星上部件故障的判斷 提供技術(shù)依據(jù)，也為提高后續(xù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)水平及持續(xù)改進(jìn)質(zhì)量提供 寶貴的資料。 衛(wèi)星的新型或改進(jìn)儀器。MEMS 是典型的新技術(shù)，如用于JWST的 鏡面陣列。尺寸縮小使得MEM

5、S 儀器可應(yīng)用于納米衛(wèi)星以及新功能、 大規(guī)模生產(chǎn)的儀器。 MEMS 元器件體積小、重量輕、功耗低?？纱笠?guī)模生產(chǎn)。與微型推 進(jìn)器相兼容。 在微納衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用在微納衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展。特別是近年來以微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS和微型光機(jī)電系統(tǒng)MOEMS為代 表的微米，納米技術(shù)的發(fā)展，使微型衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于 MEMS 加工技術(shù)本身的特點(diǎn)。MEMS 器件很容易將傳感器、執(zhí)行器及控制電路集成在硅基底 上。極大地減少了系統(tǒng)的組件個(gè)數(shù)，使衛(wèi)星的體積和重量大大減小。納型、皮型衛(wèi)星是以 MEMS 技術(shù)和由數(shù)個(gè)MEMS 組成的專用集成微型儀器ASIM為基礎(chǔ)的一種全新概

6、念的衛(wèi)星，是 MEMS 應(yīng)用于航天領(lǐng)域的重要成果。 納型、皮型衛(wèi)星及其星座和編隊(duì)飛行的發(fā)展同時(shí)給星上推進(jìn)、姿控、電源等系統(tǒng)提出了包括體 積、質(zhì)量、功耗、成本和可靠性等在內(nèi)的更高的要求。按照傳統(tǒng)加工方法已無法使推進(jìn)系統(tǒng)和 星務(wù)管理、電源等系統(tǒng)在保證功能的同時(shí)達(dá)到納、皮型衛(wèi)星或者將來更小型衛(wèi)星的質(zhì)量、體積 和功耗要求。 只有通過采用MEMS 技術(shù)，使衛(wèi)星分系統(tǒng)和部件微型化，再使這些分系統(tǒng)和部件高度集成， 研制出有較強(qiáng)功能的微型衛(wèi)星，然后再發(fā)展分布式空間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以最終實(shí)現(xiàn)超小型的納米衛(wèi) 星。基于MEMS 技術(shù)的微型元器件以及微型姿控、推進(jìn)分系統(tǒng)就是以此為契機(jī)迅速發(fā)展起來。 a、微推進(jìn)系統(tǒng)。為滿足微

7、、納衛(wèi)星的發(fā)展，必然要求有與其相適應(yīng)的微推進(jìn) 技術(shù)，除對小沖量和小推力的要求更為苛刻外，包括對重量、體積和功率等的 苛刻要求。利用MEMS 加工技術(shù)，能將推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱、噴嘴、閥門、推進(jìn) 劑進(jìn)給系統(tǒng)甚至控制電路都集成在一個(gè)或幾個(gè)硅片上，再通過裝配技術(shù)將這些 MEMS器件組裝在一起，形成功能完善、穩(wěn)定性高的集成微推進(jìn)系統(tǒng)?，F(xiàn)在比 較適用于微小衛(wèi)星的推進(jìn)技術(shù)是數(shù)字陣列微推力器和微壓力傳感器。 b， 微慣性測量組合。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計(jì)，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)靈 巧、價(jià)格便宜的慣性測量器件，可取代傳統(tǒng)的慣性裝置，用于姿態(tài)調(diào)節(jié)。我國 清華大學(xué)研制的NS-1 試驗(yàn)了新型MIMU 裝置，微型慣性測量組

8、合，它擁有3個(gè) 陀螺，可以精確測量衛(wèi)星的運(yùn)動軌跡，短期精度比較高，主要用于三軸穩(wěn)定姿 態(tài)控制。MIMU對衛(wèi)星的機(jī)動能力有重大意義，結(jié)合液氨微推進(jìn)技術(shù)，使小衛(wèi) 星具有很強(qiáng)的精確變軌能力。 c、海量數(shù)據(jù)存儲。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)， 將顯著降低存儲系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時(shí)間、失效率和成本，且存儲數(shù) 據(jù)量大，存儲密度達(dá)到1 Gb/cm2100Gb/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲和光存 儲。 d、 微型高能能源。目前開發(fā)的微型能源有太陽能電池、燃料電池和新型電池。 微型能源可以突破成本和重量的限制，提供高能動力保障，其能量密度要比現(xiàn) 有的最好電池高出幾十倍。微蓄電池的開發(fā)也

9、在微能源的研究中占有重要地位， 目前實(shí)際使用中以鋰電池居多。鋰電池有較高的比能量100200Ah/kg和優(yōu)良 的循環(huán)使用性能。微型鋰蓄電池，可以利用各種沉積技術(shù)，制成各種二維形狀 的電池，能夠方便地與微機(jī)電器件集成在一起，或者利用集成電路的制造工藝， 大批量單獨(dú)制造或是與集成電路同時(shí)制造微型鋰蓄電池。 e，熱控。在空間運(yùn)行的衛(wèi)星約有一半時(shí)間受到太陽光直射，而剩余時(shí)間處在 地球的陰影中，衛(wèi)星周期性地受到照射，高溫，和進(jìn)入陰影，低溫，若不采取 適當(dāng)?shù)拇胧瑫绊懙叫l(wèi)星的正常工作和壽命。得克薩斯儀器公司開發(fā)的微鏡 的薄窗板覆蓋衛(wèi)星表面，對衛(wèi)星實(shí)行熱量或溫度控制。窗板由硅襯底上的制動 柱和鉸鏈支撐，其

10、鋁金屬的蓋反射熱和光，硅襯底表面涂有高輻射率的材料。 當(dāng)需將熱量從衛(wèi)星散走時(shí)，電動鉸鏈打開面對太陽的窗板，露出高輻射率的涂 層。因?yàn)楣鑼t外線透明，在涂層下的熱源會向外輻射紅外線，使儀器溫度下 降。也可在硅襯底表面腐蝕出小溝道，然后用薄膜封住形成小管道，將甲醇泵 進(jìn)這些小管道，將熱量從衛(wèi)星的一處帶到另一處。 MEMS技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用 MEME技術(shù)在航空領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，譬如為各種飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)服務(wù)的航空狀態(tài)監(jiān)測傳感器。 這種傳感器是指專門用于獲取表征航空裝備狀況的各種連續(xù)或離散的可測量參數(shù)的傳感器，主 要用于實(shí)現(xiàn)飛行器工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)這些狀態(tài)信息可用于飛行器整機(jī)或部件的故障預(yù)測與 健康

11、管理。我國航空狀態(tài)監(jiān)測傳感器的技術(shù)水平經(jīng)多年來的發(fā)展有了長足進(jìn)步，但與國外先進(jìn) 水平相比還有較大差距。特別是在材料與工藝等基礎(chǔ)技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國家差距較大且創(chuàng)新性不 足。 美國空軍早在上個(gè)世紀(jì)末就開展了MEMS 傳感器在飛機(jī)上應(yīng)用的可行性研究，進(jìn)行了大量 的地面和空中試驗(yàn)。2004 年，北大西洋公約組織( NATO) 就針對MEMS 技術(shù)在航空航天中的 應(yīng)用開展了一系列的研究。隨著現(xiàn)代微機(jī)電系統(tǒng)( MEMS) 的飛速發(fā)展，近年來硅微陀螺(俗稱 芯片陀螺) 研制工作進(jìn)展很快?，F(xiàn)在美國已開始小批量生產(chǎn)由硅微陀螺和硅加速度計(jì)構(gòu)成的微 型慣性測量裝置。其低成本、低功耗及體積小、重量輕的特點(diǎn)很適于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

12、，在航空方面最 先的應(yīng)用場合將是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無人機(jī)。 早在JSF 研制的初期，洛克希德馬丁公司就著手研究MEMS技術(shù)在軍用飛機(jī)上應(yīng)用的可行性。 同時(shí)或考慮在現(xiàn)役的F16戰(zhàn)斗機(jī)中采用MEMS技術(shù)。據(jù)報(bào)道，JSF戰(zhàn)斗機(jī)的智能輪胎內(nèi)嵌入了 MEMS輪胎壓力傳感器?可以對輪胎的膨脹壓力和溫度進(jìn)行感應(yīng)和傳輸，并跟蹤輪胎序列號， 幫助監(jiān)控輪胎壽命。美海軍的H-46 型直升機(jī)適用MEMS 傳感器嵌入輪胎內(nèi)部。使維修停飛期 縮短了50%，減少故障30%，每年節(jié)約維修費(fèi)用約6000 萬美元。采用MEMS 技術(shù)可以將機(jī)電 系統(tǒng)的狀態(tài)檢測設(shè)計(jì)成分布式結(jié)構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠 性。 波音

13、公司研制了基于MEMS 技術(shù)的壓力帶用于飛行載荷測試，壓力帶采用模塊化、多芯片 模塊( MCM) 的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)壓力帶分成若干個(gè)段，可以有127 個(gè)段，每段有一個(gè)包含6 個(gè)壓力傳感器的智能模塊。智能模塊包含有敏感部分，對應(yīng)的信號調(diào)節(jié)和處理電路、校準(zhǔn)機(jī)構(gòu) 和通信接口。壓力帶首先用在Boeing757-300 飛機(jī)上，對飛機(jī)的起落架性能進(jìn)行測試。之后又 用于測量飛機(jī)機(jī)翼表面的空氣動力分布。利用MEMS 技術(shù)研制的壓力帶，可提高安裝效率5倍， 提高精度10 倍。壓力帶樣機(jī)在Boeing757-300、737-BBJ、767-400 和F-18E 飛機(jī)上進(jìn)行了充 分的飛行試驗(yàn)，并在737-900

14、飛機(jī)上進(jìn)行了產(chǎn)品的飛行驗(yàn)證。 MEMS傳感器的主要應(yīng)用傳感器的主要應(yīng)用 MEMS技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的各種應(yīng)用，其實(shí)大部分都是以傳感器的形位 為其服務(wù)。在這里，我們從傳感器的角度來分析MEMS技術(shù)的應(yīng)用，MEMS傳 感器主要有五種用途:提供有關(guān)航天器的工作信息，起故障診斷的作用;判斷各 分系統(tǒng)間工作的協(xié)調(diào)性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案;提供全系統(tǒng)自檢所需信息，給指揮員 決策提供依據(jù);提供各分系統(tǒng)、整機(jī)內(nèi)部檢測參數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。監(jiān)測 飛行器內(nèi)外部的環(huán)境，為飛行員航天員提供所需的生存條件，保障正常飛行參 數(shù)。 MEMS傳感器構(gòu)成的電子設(shè)備 MEMS傳感器在飛行器中的電子設(shè)備、飛 行器設(shè)計(jì)及微小衛(wèi)星等技術(shù)方

15、面都有重要的應(yīng)用。機(jī)載分布式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)， 由全壓一靜壓一攻角為一體的多功能微型大氣數(shù)據(jù)探頭(或稱組合式空速管)、 微型壓力傳感器(靜壓、差壓及動壓)以及信號處理單元直接組成，并封裝在殼 體內(nèi)，形成一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)。 MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集微陀螺、微加速度計(jì)及其信號處 理單元為一體。該系統(tǒng)以硅材料為主，用MEMS加工工藝制造而成，其體積和 質(zhì)量比常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)至少下降2一3個(gè)數(shù)量級。 采用MEMS技術(shù)制造的微型慣性測量單元(MIMU)沒有轉(zhuǎn)動的部件。在壽命、可靠性、成本、體積和 質(zhì)量等方面都要大大優(yōu)于常規(guī)的慣性儀表。所生產(chǎn)出來的標(biāo)準(zhǔn)化的、高性能航天器姿態(tài)測量儀器性能更 好，

16、價(jià)格更便宜，而且在航空航天平臺均能使用。采用MIMU器件可使裝置的重量大大減輕。 MEMS加速度傳感器 加速度傳感器在航空航天應(yīng)用在姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng);捷聯(lián)慣性測量單元;飛機(jī)導(dǎo)航 系統(tǒng);飛行控制系統(tǒng);包括顫振測試在內(nèi)的飛行期間結(jié)構(gòu)測試;健康系統(tǒng)測試;穩(wěn)定性測試;地面振動測試(風(fēng) 洞試驗(yàn));模態(tài)測試;發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)等。 MEMS化學(xué)傳感器 這種類似于電子鼻的高溫傳感器陣列是用于檢測和控制航空和汽車發(fā)動機(jī)的排放物 質(zhì)。通過分析電子鼻產(chǎn)生的信號確定排放系統(tǒng)廢氣的成分。 MEMS壓力傳感器 航空航天傳感器在飛行中、飛行試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)測試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)。 以及在設(shè)備的制造生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分普遍。壓力測量的特點(diǎn)是;被測壓力種類多、涉及范圍廣，測壓點(diǎn) 多，要求測量精度高。 5 未來發(fā)展趨勢 航天航空集當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)、信