MEMS航天航空领域应用【优秀范文】

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　《MEMS 在航天航空领域中的应用与发展趋势》

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　MEMS 在航天航空领域中的应用与发展趋势

　摘要：

　简述了 MEMS 概念和特点， 分析 MEMS 技术在航天、 航空领域的优势及其技术发展情况， 选取 MEMS 技术在微纳卫星领域的应用及航空领域监测器和相应的应用传感器作了 一定的介绍， 预测了 MEMS 技术的发展趋势。

　关键词：

　MEMS、 航空航天、 传感器、 微纳卫星、 应用、 发展趋势

　1 引言 微机电系统（MEMS）

　一般是指 1μ m～100μ m 的微米系统， 或者说轮廓尺寸在毫米级， 组成元件尺寸在微米数量级的系统。

　MEMS 技术特点可由 3 个M 概括：

　即小尺寸（ miniaturization）、 多样化（ multiplicity）、 微电子（ micro electronics）。

　MEMS 技术的出现开辟了 技术的一个全新领域和产业， 它具有许多传统传感器无法比拟的优点， 在航空、 航天、 汽车、 军事等众多领域中都有着十分广阔的应用前景，

　MEMS 技术将成为提高军事能力的重要技术途径。

　2 研究现状 MEMS 是关系到国家科技发展、 国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

　我国 MEMS 的研究始于 20 世纪 80 年代末， 在“八五”、“九五” 期间得到国家科技部、 教育部、 中国科学院、 国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。

　清华大学、 北京大学、 上海交通大学、 中国科学院上海冶金所等几十所高校和研究所于 20 世纪 90 年代开始了微机电系统的研究； 国家自然科学基金委组织的立项起步于 1989 年， 中国科学院于 1991 年确立重点研究项目； 1993 年和1994 年， 原国家基金委、 国家科委先后确定 MEMS 为重点项目 和重大项目；自 1993 年底起， 国防科工委投入数千万元用于“九五” 器件微型机械的研究工作，

　并且建立了两个微加工基地和一个项目研究中心。

　此后， 国家基金委又确立了若干微机电系统的基础研究项目， 国家科技部组织了集成微光机电系统重大基础研究项目 。

　2009 年以来， 国家加速启动“核高基”（核心电子器件、 高端通用芯片和基础软件领域）

　重大科技专项， 旨在集中优势资源， 持续创新， 力争在上述领域取得突破， 掌握一批核心技术， 拥有一批自主知识产权。

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　3 技术内涵 3.1 MEMS 定义 微机电系统是指微型的器件或器件组合， 是一个把电子功能与机械和光学或其他功能相结合的综合集成系统。

　MEMS 主要包括微型机构、 微型传感器、 微型执行器和相应的处理电路等几部分， 它是在融合多种微细加工技术， 并应用微电子技术和最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

　MEMS 是微电子技术的拓宽和延伸， 它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合， 实现了微电子与机械融为一体的系统。

　MEMS 在不同的国家其名称也有所不同，

　在日本称为微机械（ Micro machine）， 在欧洲 称为 微系 统技术 MST（

　Micro systems Technology）， 在英国称微工程（Micro-engineering）。

　3.2 MEMS 特点 MEMS 的基本特点：

　● MEMS 器件体积小、 重量轻、 耗能低、 惯性小、 谐振频率高、 响应时间短；

　● 以硅为主要材料， 机械电气性能优良， 硅的强度、 硬度和杨氏模量与铁相当， 密度类似于铝， 热传导率接近钼和钨；

　● 用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的 MEMS， 批量生产可大大降低生产成本；

　● 集成化性能优越， 能在极小的空间里实现多种功能， 可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体， 形成微传感器阵列、 微执行器阵列， 甚至把多种功能的器件集成在一起， 形成复杂的微系统；

　● 多学科交叉， MEMS 涉及电子、 机械、 材料、 制造、 信息与自动控制、物理、 化学和生物等学科， 并集约了 当今科学发展的许多尖端成果。

　3.3 MEMS 传感器在航空航天领域的工作环境及种类 微机电技术在航空领域最常见的应用则是各种传感器， 它们具有不同的特点， 适应在不同的场合。

　因此需要介绍传感器的工作环境和常见种类。

　3.3.1 航空航天 MEMS 传感器的工作环境 主要是指飞机、 卫星、 飞船各类飞行器以及火箭在外层空间飞行时所处的环境条件。

　它可分为自然环境和诱导环境， 自然环境包括失重和各种空间环境。

　诱

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　导环境是指航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的环境。

　例如， 轨道控制推力器点火和太阳电池翼伸展引起的振动、 冲击环境， 航天器上的磁性材料和电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场， 航天器上有机材料逸出物沉积在其他部位造成的分子污染等。

　空间环境是空间飞行的基本环境条件， 对航天器的运动和各系统的工作有显著影响。

　空间环境包括:真空、 电磁辐射、 高能粒子辐射、 等离子体、 微流星体、 行星大气、 磁场和引力场等。

　根据空间存在的物质、辐射和力场的时空分布特性， 太阳系内的空间环境大致可分为行星际空间环境、地球空间环境和其他行星空间环境。

　3.3.2 航空航天 MEMS 传感器种类 简单地说， 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。

　4 MEMS 在航空航天领域的当前应用 4.1 MEMS 技术在航天领域中的应用 4.1.1 优势和空间应用 MEMS 技术首先应用在航天技术领域， 是由于航天技术对器件功能密度比的要求非常高， 也可以说， MEMS 技术的主要需求牵引来自于航天领域。

　MEMS 技术在航天领域应用优势：

　①极小的质量和体积：

　低发射质量； ②低功耗：

　大部分器件处于电静态； ③小的热常数：

　可用较低功率来维持温度； ④抗震动、 抗冲击和抗辐射：

　机械装置， 如开关， 可以抗辐射加固； 低惯性质量使 MEMS 可抗震动/冲击； ⑤高集成度：

　在一个芯片上集成了 多种功能， 大大简化了 系统的结构； ⑥批量制造：

　低成本， 大批量生产。

　因此， 对航天工业的技术进步有着重大的推动作用。

　由于 MEMS 具有的优势，

　使得 MEMS 技术可在空间进行广泛的应用（见

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　表 1）， 其应用范围如下。

　 表 1 在太空/高空领域使用的 MEMS 技术的进展

　  传统卫星的元器件。

　用 MEMS 技术批量化生产、 在民用产品上已经广泛应用的一些惯性器件， 用于大型卫星发射及在轨期间过程控制的监测， 为卫星上部组件调控及地面遥控和卫星上部件故障的判断提供技术依据， 也为提高后续卫星的设计水平及持续改进质量提供宝贵的资料。

　 卫星的新型或改进仪器。

　MEMS 是典型的新技术， 如用于 JWST 的镜面阵列； 尺寸缩小使得 MEMS 仪器可应用于纳米卫星以及新功能、 大规模生产的仪器。

　 纳（Nano）

　和皮（Pico）

　卫星的系统。

　MEMS 元器件体积小、 重量轻、功耗低， 可大规模生产， 与微型推进器相兼容。

　4.1.2 在微纳卫星领域的应用 随着微电子技术的发展， 特别是近年来以微型机电系统（MEMS）

　和微型光机电系统（MOEMS）

　为代表的微米／ 纳米技术的发展， 使微型卫星、 纳卫星和皮卫星等微小卫星的实现成为可能。

　由于 MEMS 加工技术本身的特点， MEMS 器件很容易将传感器、 执行器及控制电路集成在硅基底上， 极大地减少了系统的组件个数， 使卫星的体积和重量大大减小。

　纳型、 皮型卫星是以 MEMS 技术和由数个 MEMS 组成的专用集成微型仪器（ASIM）

　为基础的一种全新概念的卫星， 是 MEMS 应用于航天领域的重要成果。

　纳型、 皮型卫星及其星座和编队飞行的发展同时给星上推进、 姿控、 电源等系统提出了包括体积、 质量、 功耗、 成本和可靠性等在内的更高的要求。

　按照传统加工方法已无法使推进系统和星务管理、 电源等系统在保证功能的同时达到纳、 皮型卫星或者将来更小型卫星的质量、 体积和功耗要求。

　只有通过采用 MEMS 技术， 使卫星分系统和部件微型化， 再使这些分系统

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　和部件高度集成， 研制出有较强功能的微型卫星， 然后再发展分布式空间系统结构， 以最终实现超小型的纳米卫星。

　基于 MEMS 技术的微型元器件以及微型姿控、 推进分系统就是以此为契机迅速发展起来。

　a）

　微推进系统。

　为满足微、 纳卫星的发展， 必然要求有与其相适应的微推进技术， 除对小冲量和小推力的要求更为苛刻外， 还包括对重量、 体积和功率等的苛刻要求。

　利用 MEMS 加工技术， 能将推进系统的贮箱、 喷嘴、 阀门、 推进剂进给系统甚至控制电路都集成在一个或几个硅片上， 再通过装配技术将这些MEMS 器件组装在一起， 形成功能完善、 稳定性高的集成微推进系统。

　现在比较适用于微小卫星的推进技术是数字阵列微推力器和微压力传感器。

　b）

　微惯性测量组合。

　通过集成三轴 MEMS 陀螺和加速度计， 构成一个结构灵巧、 价格便宜的惯性测量器件， 可取代传统的惯性装置， 用于姿态调节。

　我国清华大学研制的 NS-1 试验了新型 MIMU 装置（微型惯性测量组合）， 它拥有3 个陀螺， 可以精确测量卫星的运动轨迹， 短期精度比较高， 主要用于三轴稳定姿态控制。

　MIMU 对卫星的机动能力有重大意义， 结合液氨微推进技术， 使小卫星具有很强的精确变轨能力。

　c）

　海量数据存储。

　在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的数据存储系统，

　将显著降低存储系统的尺寸、 重量、 存取等待时间、 失效率和成本， 且存储数据量大， 存储密度达到 1 Gb/cm2~100Gb/cm2， 远远高于目前的磁存储和光存储。

　d）

　微型高能能源。

　目前开发的微型能源有太阳能电池、 燃料电池和新型电池。

　微型能源可以突破成本和重量的限制， 提供高能动力保障， 其能量密度要比现有的最好电池高出几十倍。

　微蓄电池的开发也在微能源的研究中占有重要地位， 目 前实际使用中以锂电池居多。

　锂电池有较高的比能量（ （100~200）

　Ah/kg）

　和优良的循环使用性能。

　微型锂蓄电池， 可以利用各种沉积技术， 制成各种二维形状的电池， 能够方便地与微机电器件集成在一起， 或者利用集成电路的制造工艺， 大批量单独制造或是与集成电路同时制造微型锂蓄电池。

　e）

　热控。

　在空间运行的卫星约有一半时间受到太阳光直射， 而剩余时间处在地球的阴影中， 卫星周期性地受到照射（高温）

　和进入阴影（低温）， 若不采取适当的措施， 会影响到卫星的正常工作和寿命。

　得克萨斯仪器公司开发的微镜的薄窗板覆盖卫星表面， 对卫星实行热量或温度控制。

　窗板由硅衬底上的制动柱和铰链支撑， 其铝金属的盖反射热和光， 硅衬底表面涂有高辐射率的材料。

　当需将热量从卫星散走时， 电动铰链打开面对太阳的窗板， 露出高辐射率的涂层。

　因

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　为硅对红外线透明， 在涂层下的热源会向外辐射红外线， 使仪器温度下降。

　也可在硅衬底表面腐蚀出小沟道， 然后用薄膜封住形成小管道， 将甲醇泵进这些小管道， 将热量从卫星的一处带到另一处。

　4.2 MEMS 技术在航空领域的应用 MEME 技术在航空领域也有广泛的应用， 譬如为各种飞机、 战斗机服务的航空状态监测传感器。

　这种传感器是指专门用于获取表征航空装备状况的各种连续或离散的可测量参数的传感器， 主要用于实现飞行器工况的实时监测， 同时这些状态信息可用于飞行器整机或部件的故障预测与健康管理。

　我国航空状态监测传感器的技术水平经多年来的发展有了长足进步， 但与国外先进水平相比还有较大差距， 特别是在材料与工艺等基础技术方面与发达国家差距较大且创新性不足。

　美国空军早在上个世纪末就开展了 MEMS 传感器在飞机上应用的可行性研究， 进行了大量的地面和空中试验。

　2004 年， 北大西洋公约组织( NATO) 就针对 MEMS 技术在航空航天中的应用开展了一系列的研究。

　随着现代微机电系统( MEMS) 的飞速发展， 近年来硅微陀螺(俗称芯片陀螺) 研制工作进展很快。

　现在美国已开始小批量生产由硅微陀螺和硅加速度计构成的微型惯性测量装置， 其低成本、 低功耗及体积小、 重量轻的特点很适于战术应用， 在航空方面最先的应用场合将是战术导弹和无人机。

　早在 JSF 研制的初期， 洛克希德· 马丁公司就着手研究 MEMS 技术在军用飞机上应用的可行性， 同时或考虑在现役的 F16 战斗机中采用 MEMS 技术。

　据报道， JSF 战斗机的智能轮胎内嵌入了 MEMS 轮胎压力传感器， 可以对轮胎的膨胀压力和温度进行感应和传输， 并跟踪轮胎序列号， 帮助监控轮胎寿命。

　美海军的 H-46 型直升机适用 MEMS 传感器嵌入轮胎内部， 使维修停飞期缩短了50%， 减少故障 30%， 每年节约维修费用约 6000 万美元。

　采用 MEMS 技术可以将机电系统的状态检测设计成分布式结构， 大大降低了系统的复杂性， 并增加了系统的灵活性和可靠性。

　波音公司研制了 基于 MEMS 技术的压力带用于飞行载荷测试， 压力带采用模块化、 多芯片模块( MCM) 的设计思路， 将整个压力带分成若干个段， 可以有127 个段， 每段有一个包含 6 个压力传感器的智能模块。

　智能模块包含有敏感部分， 对应的信号调节和处理电路、 校准机构和通信接口 。

　压力带首先用在Boeing757-300 飞机上， 对飞机的起落架性能进行测试。

　之后又用于测量飞机机

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　翼表面的空气动力分布。

　利用 MEMS 技术研制的压力带， 可提高安装效率 5 倍，提高精度 10 倍。

　压力带样机在 Boeing757-300、 73...

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