MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

1、MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)電科二班 陳天樂2022-5-151MEMS在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)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(yáng)電池翼伸展引起的振動(dòng)、沖擊環(huán)境。航天器上的磁性材料和電流回路在空間磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)。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。 空間環(huán)境是空間飛行

2、的基本環(huán)境條件。對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)和引力場(chǎng)等。根據(jù)空間存在的物質(zhì)、輻射和力場(chǎng)的時(shí)空分布特性。太陽(yáng)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(jiǎn)單地說(shuō)，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(dòng)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(dòng)機(jī)振動(dòng)量，滑油金屬屑，各種消耗品如油料剩余量，

3、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(dòng)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(shì)和空間應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(duì)器件功能密度比的要求非常高，也可以說(shuō)，MEMS 技術(shù)的主要需求牽引來(lái)自于航天領(lǐng)域。MEMS 技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：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(lái)維持溫度，抗震動(dòng)，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)量使MEMS 可抗震動(dòng)/沖擊，高集成度，在一個(gè)

4、芯片上集成了多種功能。大大簡(jiǎn)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(duì)航天工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有著重大的推動(dòng)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(cè)，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MEMS 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

5、 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(lái)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

6、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(wú)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(lái)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?；贛EMS 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(lái)。 a、微推進(jìn)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(yīng)的微推進(jìn)技術(shù)，除對(duì)小沖量和小推力的要求更為苛刻外，包括對(duì)重量

7、、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)。現(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(cè)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(cè)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(guó)清華大學(xué)研制的NS-1 試驗(yàn)了新型MIMU 裝置，微型慣性測(cè)量組合，它擁有3個(gè)陀螺，可以精確測(cè)量衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)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(duì)衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)

8、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(chǔ)。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，將顯著降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時(shí)間、失效率和成本，且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，存儲(chǔ)密度達(dá)到1 Gb/cm2100Gb/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)。 d、 微型高能能源。目前開發(fā)的微型能源有太陽(yáng)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(dòng)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(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

9、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(yáng)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?huì)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(duì)衛(wèi)星實(shí)行熱量或溫度控制。窗板由硅襯底上的制動(dòng)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(dāng)需將熱量從衛(wèi)星散走時(shí)，電動(dòng)鉸鏈打開面對(duì)太陽(yáng)的窗板，露出高輻射率的涂層。因?yàn)楣鑼?duì)紅外線透明

10、，在涂層下的熱源會(huì)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(cè)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(cè)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(cè)，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(cè)與健康管理。我國(guó)航空狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器的技術(shù)水平經(jīng)多年來(lái)的發(fā)展有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)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(guó)家差距較大且創(chuàng)新性不

11、足。 美國(guó)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(duì)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(lái)硅微陀螺(俗稱芯片陀螺) 研制工作進(jìn)展很快?，F(xiàn)在美國(guó)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(cè)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，在航空方面最先的應(yīng)用場(chǎng)合將是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無(wú)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

12、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(duì)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(hào)，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(wàn)美元。采用MEMS 技術(shù)可以將機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)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。 波音公司研制了基于MEMS 技術(shù)的壓力帶用于飛行載荷測(cè)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

13、智能模塊。智能模塊包含有敏感部分，對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(duì)飛機(jī)的起落架性能進(jìn)行測(cè)試。之后又用于測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼表面的空氣動(dòng)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 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(lái)分析MEMS技術(shù)的

14、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(cè)參數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。監(jiān)測(cè)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(dòng)壓)以及信號(hào)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)。

15、 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(hào)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(jí)。 采用MEMS技術(shù)制造的微型慣性測(cè)量單元(MIMU)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)的標(biāo)準(zhǔn)化的、高性能航天器姿態(tài)測(cè)量?jī)x器性能更好，價(jià)格更便宜，而且在航空航天平臺(tái)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(cè)量單元;飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng);飛行控制系統(tǒng);包括顫振測(cè)試在內(nèi)的飛行期間結(jié)構(gòu)測(cè)試;健康系統(tǒng)測(cè)試;穩(wěn)定性測(cè)試;地面振動(dòng)測(cè)試(風(fēng)洞試驗(yàn));模態(tài)測(cè)試;發(fā)動(dòng)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(cè)和控制航空和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物質(zhì)。通過分析電子鼻產(chǎn)生的信號(hào)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(dòng)機(jī)測(cè)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(cè)量的特點(diǎn)是;被測(cè)壓力種類多、涉及范圍廣，測(cè)壓點(diǎn)多，要求測(cè)量精度高。 5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 航天航空集當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)、信息