MEMS（MicroElectro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是一門以半導(dǎo)體制造為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)。自1962年第一個硅微壓力傳感器問世以來，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蟆Ｍ瑫rMEMS傳感器的出現(xiàn)極大地推動了航空航天技術(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用的傳感器。這里主要對典型的加速度計(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?；诤硕桑ㄟ^測量質(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)等各類武器平臺上。

MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用

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

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慣性測量系統(tǒng)（MEMSInertial Measurement Unit，MEMS-IMU）是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測量單元。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，可以更加精確地測量出物體的運(yùn)動方向和軌跡。

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

英國BAE公司的SDI500慣性測量系統(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)先的市場地位，各研究機(jī)構(gòu)都在開展新型多軸MEMS器件的研制，這使得MEMS傳感器在航空時代更具創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。多軸MEMS-IMU的強(qiáng)大功能使其在未來的飛行導(dǎo)航、無人機(jī)、移動平臺定位系統(tǒng)中十分必要。

ST推出基于LSM330D的九軸MEMS-IMU

美國克爾斯博公司研制的NAV400組合導(dǎo)航用于無人機(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，受到外界壓力時發(fā)生形變，可以通過壓阻型感測來測量形變或者電容感測兩個面之間的距離來測量。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壓力傳感器的測量會隨著工作環(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準(zhǔn)確的測量，是其穩(wěn)定性的體現(xiàn)。在航空航天領(lǐng)域，對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

圣地亞哥國家實(shí)驗(yàn)室圓片級硅基MEMS壓力傳感器

邁利芯MEMS相對壓力傳感器MLX90809

壓力測量的特點(diǎn)是：被測壓力種類多、涉及范圍廣、測壓點(diǎn)多，要求測量精度高。MEMS壓力傳感器在飛行中、飛行試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)測試驗(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。

基于MEMS壓力傳感器的無人機(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)于一身對傳感器的要求越來越高。隨著產(chǎn)品可靠性進(jìn)一步提高和價格降低，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)用將會在更廣泛范圍取代傳統(tǒng)傳感器并推動航空航天事業(yè)朝前快速發(fā)展。