MEMS传感器及其在航空领域的应用

摘 要

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统）一般指1μm～100μm的系统，是一种以半导体制造技术为基础的多学科交叉的前沿高新技术。MEMS传感器具有小型化、多功能、低成本、高可靠性的特点。由于航空工业对器件功能密度，可靠性等要求较高，这使MEMS传感器技术在航空领域得到广泛应用，同时也极大地促进了航空技术的发展。
【关键词】 MEMS 传感器 航空
MEMS技术的发展已有40多年的历史，以半导体制造技术为基础，对微米、纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制。他将机械构建、光学系统、驱动部件、电控制系统集成为一个整体单元，不仅能够采集、处理、发送信息或指令，还能够按照所获取的信息采取行动。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。MEMS传感器技术是MEMS技术的重要研究内容之一。与传统传感其相比，MEMS传感器有小型化、多功能、低成本、高可靠性等的优点。航空技术的工作环境特殊，对器件的功能密度、可靠性、抗干扰能力等具有较高要求。MEMS传感器由于其自身的优势，在航空领域得到广泛应用。
1 MEMS传感器
MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
2 MEMS压力传感器
压力传感器在飞行器飞行、发动机测试、结构强度检测、风洞试验、飞行器试飞以及设备的设计制造过程中应用十分普遍。压力测试的特点是被测压力种类多范围广、测试点多、测量要求精度高。微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。常用的压力传感器有压阻式、压电式、电容式、谐振式以及光探测式等。MEMS压力传感器的先进特性有：用于绝对压力检测的封闭真空腔、集成的遥测接口、闭环控制、对污染物不敏感、在恶劣环境或高温条件下可使用非硅薄膜材料（如陶瓷、金刚石）。
压力传感器可分为压阻式和电容式两种。压阻式压力传感器原理如图1所示。将压敏电阻连接成惠斯顿电桥形式，作为力电变换的测量电路。R1、R2、R3、R4为压敏电阻的阻值，ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4分别为压敏电阻在收到压力的时候电阻R1、R2、R3、R4的电阻变化。U为电路输入电压，U0为电路输出电压。对于某一确定的外界压力，压敏电阻阻值变化确定，对应确定的输出电压。所以，电路工作时，只要测出输出电压，就可以得到压力值。
压阻式传感器具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。
电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。电容式压力传感器原理如图2所示，主要由参考电容、敏感电容以及电子电路组成。参考电容容值不变，敏感电容在被测压力作用下容值发生改变，通过测量电路即可输出与被测压力成一定关系的电信号。根据输出信号，可得到被测压力值。
3 MEMS加速度传感器
3.1 压阻式加速度计
图3为压阻式加速度传感器的原理图。当系统具有加速度a时，根据压阻效应，压敏电阻的阻值发生变化，通过外接电路，将阻值的变化转化为电信号输出，即可得到相应的加速度值。压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中。
3.2 压电式加速度计
压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
3.3 电容式加速度计
电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。如图4所示，当系统具有加速度a时，质量块m向下移动，导致质量块上下电容的极距发生改变，从而电容容值改变。将电容的改变转化为电信号输出，可得到对应的加速度值。
除了以上介绍的三种加速度传感器外，还有谐振式加速度计、热电偶式加速度计等。谐振式传感器输出准数字量，可直接用于复杂的数字电路，从而免去了其他类型传感器在信号传递方面的诸多不便；热电偶式加速度传感器多应用于低沉本的传感器领域，既可以测量动态加速度，也可以测量静态加速度。
4 MEMS陀螺仪
陀螺仪是指用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。按结构，陀螺仪可分为压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。图5为陀螺仪的基本结构。陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
除了上面介绍的集中传感器外，还有流量传感器、气体传感器、温度传感器等。 5 MEMS传感器在航空领域的应用
在航空领域，MEMS传感其主要有一下五种用途：（1）提供有关航天器的工作信息，进行故障诊断；（2）判断个分系统的工作协调性，验证设计方案；（3）提供全系统自检所需信息，给指挥员提供决策依据；（4）提供个分系统以及整机内部检测参数，验证设计的正确性；（5）检测飞行器内外部环境，为飞行员提供所需生存条件，保证正常飞行参数。
由于MEMS传感器具有的独特优势，使其在航空领域广泛应用。美国空军早在上个世纪末就展开了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实验。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研究。随着现代微机电系统的飞速发展，硅微陀螺（俗称芯片陀螺）的研制工作进展很快，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、重量轻的特点使其最先应用于战术导弹和无人机。
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程度，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，用于飞行载荷检测，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，可以由127个段，每段有一个包含6个压力传感的智能模块。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。压力首先用在Boeing757-300飞机上，对飞机的起落架性能进行检测。之后又用于测量飞机机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、737-BBJ、767-400和F-18E飞机上进行了充分的飞行试验，并在737-900飞机上进行了产品的飞行试验。
6 总结
MEMS技术是一种多学科交叉的前沿高新技术。MEMS具有小型化、多功能、低成本、高可靠性的特点。MEMS传感器技术是MEMES技术中的重要组成部分。航空工业是国家的支柱产业，是衡量一个国家科技水平的标志之一。航空工业对器件功能密度，可靠性等要求较高，这使MEMS传感器技术在航空领域得到广泛应用。本文简单介绍了压力传感器、加速度传感器以及陀螺仪等的原理，以及MEMS传感器在航空领域的应用。