MEMS在航天航空領域中的應用與發(fā)展趨勢

1、MEMS在航天航空領域中的應用與發(fā)展趨勢在航天航空領域中的應用與發(fā)展趨勢電科二班 陳天樂2020/6/81MEMS在航天航空領域中的應用與發(fā)展趨勢航空航天MEMS傳感器的工作環(huán)境? 主要是指飛機、衛(wèi)星、飛船各類飛行器以及火箭在外層空間飛行時所處的環(huán)境條件。它可分為自然環(huán)境和誘導環(huán)境。? 自然環(huán)境包括失重和各種空間環(huán)境。誘導環(huán)境是指航天器某些系統(tǒng)工作時或在空間環(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動產(chǎn)生的感應磁場。航天器上有機材料逸出物沉積在其他部位造成的分子污染等。? 空間環(huán)境是空間飛行的基本環(huán)境條件。對航

2、天器的運動和各系統(tǒng)的工作有顯著影響。空間環(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、輻射和力場的時空分布特性。太陽系內的空間環(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MEMS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件的即時位置傳感器。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。飛機狀態(tài)傳感器。如迎角，側滑角傳感器，飛機姿態(tài)傳感器等。各種參數(shù)如液壓，油壓，發(fā)動機振動量，滑油金屬屑，各種消耗品如油料剩余量，消耗速度等。還有結冰傳感器，火警傳感器

3、，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)勢和空間應用優(yōu)勢和空間應用? MEMS 技術首先應用在航天技術領域 。是由于航天技術對器件功能密度比的要求非常高，也可以說， MEMS 技術的主要需求牽引來自于航天領域。MEMS 技術在航天領域應用優(yōu)勢：極小的質量和體積；低發(fā)射質量；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。機械裝置，如開關，可以抗輻射加固。低慣性質量使 MEMS 可抗震動/沖擊，高集成度，在一個芯片上集成了多種功能。大大簡化了

4、系統(tǒng)的結構，批量制造，低成本，大批量生產(chǎn)。因此，對航天工業(yè)的技術進步有著重大的推動作用。在太空/高空領域使用的MEMS 技術的進展? 傳統(tǒng)衛(wèi)星的元器件，用 MEMS 技術批量化生產(chǎn)、在民用產(chǎn)品上已經(jīng)廣泛應用的一些慣性器件。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)星上部組件調控及地面遙控和衛(wèi)星上部件故障的判斷提供技術依據(jù)，也為提高后續(xù)衛(wèi)星的設計水平及持續(xù)改進質量提供寶貴的資料。? 衛(wèi)星的新型或改進儀器。 MEMS 是典型的新技術，如用于 JWST的鏡面陣列。尺寸縮小使得 MEMS 儀器可應用于納米衛(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。可大規(guī)模生產(chǎn)。與

5、微型推進器相兼容。在微納衛(wèi)星領域的應用在微納衛(wèi)星領域的應用?隨著微電子技術的發(fā)展。特別是近年來以微型機電系統(tǒng)MEMS和微型光機電系統(tǒng)MOEMS為代表的微米，納米技術的發(fā)展，使微型衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的實現(xiàn)成為可能。由于MEMS 加工技術本身的特點。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 技術和由數(shù)個MEMS 組成的專用集成微型儀器ASIM為基礎的一種全新概念的衛(wèi)星，是MEMS 應用于航天領域的重要成果。?納型、皮型衛(wèi)星及其星座和編隊飛行的發(fā)展同時給星上推進、姿控、電源等系統(tǒng)提出了

6、包括體積、質量、功耗、成本和可靠性等在內的更高的要求。按照傳統(tǒng)加工方法已無法使推進系統(tǒng)和星務管理、電源等系統(tǒng)在保證功能的同時達到納、皮型衛(wèi)星或者將來更小型衛(wèi)星的質量、體積和功耗要求。?只有通過采用MEMS 技術，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，研制出有較強功能的微型衛(wèi)星，然后再發(fā)展分布式空間系統(tǒng)結構，以最終實現(xiàn)超小型的納米衛(wèi)星?；贛EMS 技術的微型元器件以及微型姿控、推進分系統(tǒng)就是以此為契機迅速發(fā)展起來。? a、微推進系統(tǒng)。為滿足微、納衛(wèi)星的發(fā)展，必然要求有與其相適應的微推進技術，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

7、加工技術，能將推進系統(tǒng)的貯箱、噴嘴、閥門、推進劑進給系統(tǒng)甚至控制電路都集成在一個或幾個硅片上，再通過裝配技術將這些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系統(tǒng)?，F(xiàn)在比較適用于微小衛(wèi)星的推進技術是數(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，構成一個結構靈巧、價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)調節(jié)。我國清華大學研制的NS-1 試驗了新型MIMU 裝置，微型慣性測量組合，它擁有3個陀螺，可以精確測量衛(wèi)星的運動軌跡，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)星的機動能力有重大意義，結合液氨微推進技術，使

8、小衛(wèi)星具有很強的精確變軌能力。? 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、存取等待時間、失效率和成本，且存儲數(shù)據(jù)量大，存儲密度達到1 Gb/cm2100Gb/cm2，遠遠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)也在微能源的研究中占有重要地位，目前實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，制

9、成各種二維形狀的電池，能夠方便地與微機電器件集成在一起，或者利用集成電路的制造工藝，大批量單獨制造或是與集成電路同時制造微型鋰蓄電池。? e，熱控。在空間運行的衛(wèi)星約有一半時間受到太陽光直射，而剩余時間處在地球的陰影中，衛(wèi)星周期性地受到照射，高溫，和進入陰影，低溫，若不采取適當?shù)拇胧?，會影響到衛(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。當需將熱量從衛(wèi)星散走時，電動鉸鏈打開面對太陽的窗板，露出高輻射率的涂層。因為硅對紅外線透明，在涂層下的熱源會向外輻射紅外線

10、，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，將甲醇泵進這些小管道，將熱量從衛(wèi)星的一處帶到另一處。MEMS技術在航空領域的應用?MEME技術在航空領域也有廣泛的應用，譬如為各種飛機、戰(zhàn)斗機服務的航空狀態(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，主要用于實現(xiàn)飛行器工況的實時監(jiān)測，同時這些狀態(tài)信息可用于飛行器整機或部件的故障預測與健康管理。我國航空狀態(tài)監(jiān)測傳感器的技術水平經(jīng)多年來的發(fā)展有了長足進步，但與國外先進水平相比還有較大差距。特別是在材料與工藝等基礎技術方面與發(fā)達國家差距較大且創(chuàng)新性不足。?美國空軍早在上個世紀末就

11、開展了MEMS 傳感器在飛機上應用的可行性研究，進行了大量的地面和空中試驗。2004 年，北大西洋公約組織( NATO) 就針對MEMS 技術在航空航天中的應用開展了一系列的研究。隨著現(xiàn)代微機電系統(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構成的微型慣性測量裝置。其低成本、低功耗及體積小、重量輕的特點很適于戰(zhàn)術應用，在航空方面最先的應用場合將是戰(zhàn)術導彈和無人機。?早在JSF 研制的初期，洛克希德馬丁公司就著手研究MEMS技術在軍用飛機上應用的可行性。同時或考慮在現(xiàn)役的F16戰(zhàn)斗機中采用MEMS技術。據(jù)報道，JSF

12、戰(zhàn)斗機的智能輪胎內嵌入了MEMS輪胎壓力傳感器?可以對輪胎的膨脹壓力和溫度進行感應和傳輸，并跟蹤輪胎序列號，幫助監(jiān)控輪胎壽命。美海軍的H-46 型直升機適用MEMS 傳感器嵌入輪胎內部。使維修停飛期縮短了50%，減少故障30%，每年節(jié)約維修費用約6000 萬美元。采用MEMS 技術可以將機電系統(tǒng)的狀態(tài)檢測設計成分布式結構，大大降低了系統(tǒng)的復雜性，并增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。?波音公司研制了基于MEMS 技術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) 的設計思路，將整個壓力帶分成若干個段，可以有127 個段，每段有一個包含6 個壓力傳感器的智能模塊。智能模塊包含有敏感部

13、分，對應的信號調節(jié)和處理電路、校準機構和通信接口。壓力帶首先用在Boeing757-300 飛機上，對飛機的起落架性能進行測試。之后又用于測量飛機機翼表面的空氣動力分布。利用MEMS 技術研制的壓力帶，可提高安裝效率5倍，提高精度10 倍。壓力帶樣機在Boeing757-300、737-BBJ、767-400 和F-18E 飛機上進行了充分的飛行試驗，并在737-900 飛機上進行了產(chǎn)品的飛行驗證。MEMS傳感器的主要應用傳感器的主要應用?MEMS技術在航空航天領域中的各種應用，其實大部分都是以傳感器的形位為其服務。在這里，我們從傳感器的角度來分析MEMS技術的應用，MEMS傳感器主要有五種用

14、途:提供有關航天器的工作信息，起故障診斷的作用;判斷各分系統(tǒng)間工作的協(xié)調性，驗證設計方案;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)、整機內部檢測參數(shù)，驗證設計的正確性。監(jiān)測飛行器內外部的環(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傳感器構成的電子設備 MEMS傳感器在飛行器中的電子設備、飛行器設計及微小衛(wèi)星等技術方面都有重要的應用。機載分布式大氣數(shù)據(jù)計算機，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，形成一個微機電系統(tǒng)。?MEMS慣性導航系統(tǒng) 微型慣性

15、導航系統(tǒng)集微陀螺、微加速度計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，其體積和質量比常規(guī)慣性導航系統(tǒng)至少下降2一3個數(shù)量級。?采用MEMS技術制造的微型慣性測量單元(MIMU)沒有轉動的部件。在壽命、可靠性、成本、體積和質量等方面都要大大優(yōu)于常規(guī)的慣性儀表。所生產(chǎn)出來的標準化的、高性能航天器姿態(tài)測量儀器性能更好，價格更便宜，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用在姿態(tài)航向基準系統(tǒng);捷聯(lián)慣性測量單元;飛機導航系統(tǒng);飛行控制系統(tǒng);包括顫振測試在內的飛行期間結構測試;健康系統(tǒng)測試;穩(wěn)定性測試;地面振動測試(風洞試驗);模態(tài)測試;發(fā)動機控制系統(tǒng)、制導系統(tǒng)等。?MEMS化學傳感器 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)動機的排放物質。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、發(fā)動機測試驗、結構強度試驗、風洞試驗。以及在設備的制造生產(chǎn)過程中應用十分普遍。壓力測量的特點是;被測壓力種類多、涉及范圍廣，測壓點多，要求測量精度高。 5 未來發(fā)展趨勢?航天航空集當代先進制造技術、信息技