MEMS（MicroElectro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是一門(mén)以半導(dǎo)體制造為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)。自1962年第一個(gè)硅微壓力傳感器問(wèn)世以來(lái)，已有50多年的歷史。同傳統(tǒng)傳感器相比，其小體積、易集成、低功耗的特點(diǎn)更符合航空航天領(lǐng)域?qū)π滦蛡鞲衅鞯男阅芤?。同時(shí)MEMS傳感器的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了航空航天技術(shù)的發(fā)展。

MEMS傳感器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的MEMS傳感器主要有加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器、剪應(yīng)力傳感器以及其他一些專(zhuān)用的傳感器。這里主要對(duì)典型的加速度計(jì)、陀螺儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及壓力傳感器做系統(tǒng)介紹。

MEMS加速度計(jì)是目前MEMS傳感器中技術(shù)最成熟、商業(yè)化最成功的傳感器。基于胡克定律，通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊偏移的距離，再根據(jù)已知的彈性系數(shù)及質(zhì)量塊質(zhì)量就可得到系統(tǒng)的加速度。根據(jù)測(cè)量原理主要包括電容式、壓電式和壓阻式加速度計(jì)。電容式加速度計(jì)通過(guò)電容值的變化量得到加速度的大小，具有靈敏度高、噪聲低、溫漂小的特點(diǎn)，是目前主流的MEMS加速度計(jì)。

電容式MEMS加速度計(jì)示意圖

目前MEMS加速度計(jì)廠商主要有ST、Bosch、ADI、Freescale、MEMSIC等。美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的MEMS加速度計(jì)在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

美國(guó)ADI公司的ADXL362系列MEMS加速度計(jì)

在航空航天領(lǐng)域，MEMS加速度計(jì)主要應(yīng)用在姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)等，裝備在空空導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等各類(lèi)武器平臺(tái)上。

MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用

1988年，美國(guó)CSDL設(shè)計(jì)研制了世界上最早的雙框架式MEMS陀螺儀。目前公開(kāi)的MEMS陀螺儀主要采用振動(dòng)物體來(lái)傳感角速度，通過(guò)科里奧利（Coriolis）力原理的微機(jī)械單元，以物體本身作為參照物，振動(dòng)質(zhì)量塊懸掛在基座上，運(yùn)動(dòng)時(shí)連帶基座旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生正比于角速度的科里奧利力，從而檢測(cè)出物體運(yùn)動(dòng)的角速度。

MEMS陀螺儀工作原理

MEMS陀螺儀示意圖

目前，已研制成功的MEMS陀螺儀主要有音叉式、諧振梁式和雙框架式等。同傳統(tǒng)陀螺儀相比，其沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承、可批量化生產(chǎn)。

MEMS陀螺儀主要用于角速度的測(cè)量，可應(yīng)用在飛機(jī)姿態(tài)航向參照系統(tǒng)、航天與空間定位系統(tǒng)以及導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)中。

JPL研制的四葉式硅陀螺用于微小衛(wèi)星導(dǎo)航

英國(guó)BAE公司生產(chǎn)的硅振環(huán)式陀螺應(yīng)用在南非A-Darter空空導(dǎo)彈制導(dǎo)中

MEMS慣性測(cè)量系統(tǒng)（MEMSInertial Measurement Unit，MEMS-IMU）是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測(cè)量單元。主要由MEMS加速度計(jì)、陀螺儀以及解算電路組成。將這兩種傳感器搭配使用，可以更加精確地測(cè)量出物體的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡。

美國(guó)LN-200 IMU光纖慣導(dǎo)組合在直升機(jī)上應(yīng)用

英國(guó)BAE公司的SDI500慣性測(cè)量系統(tǒng)

目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是三軸MEMS-IMU。為保持領(lǐng)先的市場(chǎng)地位，各研究機(jī)構(gòu)都在開(kāi)展新型多軸MEMS器件的研制，這使得MEMS傳感器在航空時(shí)代更具創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。多軸MEMS-IMU的強(qiáng)大功能使其在未來(lái)的飛行導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)、移動(dòng)平臺(tái)定位系統(tǒng)中十分必要。

ST推出基于LSM330D的九軸MEMS-IMU

美國(guó)克爾斯博公司研制的NAV400組合導(dǎo)航用于無(wú)人機(jī)控制

ADI公司推出的十軸ADIS16480MEMS IMU

MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到外界壓力時(shí)發(fā)生形變，可以通過(guò)壓阻型感測(cè)來(lái)測(cè)量形變或者電容感測(cè)兩個(gè)面之間的距離來(lái)測(cè)量。因此，MEMS壓力傳感器主要分為壓阻式和電容式兩種。

壓阻式硅MEMS壓力傳感器示意圖

電容式MEMS壓力傳感器實(shí)物

MEMS壓力傳感器的測(cè)量會(huì)隨著工作環(huán)境和靜壓的變化而發(fā)生偏移，在不同的工作條件下得到相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量，是其穩(wěn)定性的體現(xiàn)。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)MEMS壓力傳感器的要求主要在可靠性、穩(wěn)定性和高精度三方面。

MEMS壓力傳感器集成模塊

圣地亞哥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室圓片級(jí)硅基MEMS壓力傳感器

邁利芯MEMS相對(duì)壓力傳感器MLX90809

壓力測(cè)量的特點(diǎn)是：被測(cè)壓力種類(lèi)多、涉及范圍廣、測(cè)壓點(diǎn)多，要求測(cè)量精度高。MEMS壓力傳感器在飛行中、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(guò)程中應(yīng)用十分普遍。

基于MEMS壓力傳感器的無(wú)人機(jī)靈巧蒙皮

MEMS壓力傳感器探頭及在飛機(jī)上的應(yīng)用

航天航空集當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和材料技術(shù)于一身對(duì)傳感器的要求越來(lái)越高。隨著產(chǎn)品可靠性進(jìn)一步提高和價(jià)格降低，制作技術(shù)發(fā)展的不斷成熟和完善，MEMS傳感器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)在更廣泛范圍取代傳統(tǒng)傳感器并推動(dòng)航空航天事業(yè)朝前快速發(fā)展。