MEMS传感器在航空航天领域的应用

 

　　MEMS在航空航天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。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：

 

• 小的质量和体积，低发射质量。

 

• 低功耗——大部分器件处于电静态。

 

• 小的热常数——可用较低功率来维持温度。

 

• 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。

 

• 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。

 

• 批量制造低成本——大批量生产。

 

　　MEMS技术在航空航天领域中的各种应用其实大部分都是以传感器的形位为其服务。在这里我们从传感器的角度来分析MEMS技术的应用。

 

MEMS传感器主要有五种用途:

 

    ① 供有关航天器的工作信息，起故障诊断的作用;

 

    ② 判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案;

 

    ③ 提供全系统自检所需信息，给指挥员决策提供依据;

 

    ④ 提供各分系统、整机内部检测参数，验证设计的正确性。

 

    ⑤ 监测飞行器内外部的环境，为飞行员航天员提供所需的生存条件，保障正常飞行参数。

 

无人飞行器姿态控制

 

　　MEMS微惯性导航系统集微陀螺、微加速度计及其信号处理单元为一体。该系统以硅材料为主，用MEMS加工工艺制造而成，其体积和质量比常规惯性导航系统至少下降2一3个数量级。 采用MEMS技术制造的微型惯性测量单元(MIMU)，没有转动的部件，在寿命、可靠性、成本、体积和质量等方面都要大大优于常规的惯性仪表。所生产出来的标准化的、高性能航天器姿态测量仪器性能更好，价格更便宜，而且在航空航天平台均能使用。采用MIMU器件可使装置的重量大大减轻。

 

　　美泰微系统自主研发的MNS610是可靠、高抗震的固态惯性测量单元，内置精确相互垂直安装的三轴唤醒硅振子陀螺仪、三轴油阻尼（或空气阻尼）加速度计以及指南针，并经过三轴转台精密校准以满足不同条件下的性能需求。数据融合通过内置DSP进行扩展卡尔曼滤波器得以实现，给出实时、准确的载体姿态和传感器数据。

 

　　MNS610含有内部减震结构，可在强震和冲击环境下保持性能。支持外部扩展卫星导航（GNSS）实现组合导航（可选）。

 

　

 

直升机飞行状态监控

 

　　MEMS加速度传感器 加速度传感器在航空航天应用在姿态航向基准系统、飞行控制系统，包括颤振测试在内的飞行期间结构测试、健康系统测试、稳定性测试、地面振动测试(风洞试验)、模态测试、发动机控制系统和制导系统等。

 

　　美泰电子自主研发的MSA3001A系列三轴振动传感器，广泛应用于飞机的模态和发动机颤振，静载荷分析，直升飞机状态与使用监控系统（HUMS），监测飞行过程中关键轴承、齿轮箱和发动机部件的运行状态。

 

 

光电吊舱稳定平台

 

　　MEMS微陀螺在无人机光电吊舱、红外稳定平台、位标器中的应用极为广泛。随着MEMS工艺技术的提升，高精度硅MEMS微陀螺逐渐在替代低精度光纤和石英陀螺仪。

 

　　美泰电子自助研发的单轴MSG1100D硅微陀螺仪最高量程可高达5000°/s，双轴微陀螺MSG2000开创了国内硅MEMS微陀螺应用先河，广泛应用在陆用测姿设备上。

 

　

 

飞行试验和发动机检测试验

 

　　MEMS压力传感器在飞行中、飞行试验、发动机检测试验、结构强度试验、风洞试验，以及在设备的制造生产过程中应用十分普遍。压力测量的特点是：被测压力种类多、涉及范围广、测压点多，要求测量精度高。

 

　

 

通信天线车和火箭炮支架

 

　　MEMS倾角传感器广泛应用于火箭炮固定转动支架角度测量，通讯天线车和飞艇等等。应用范围广，要求测量精度高，误差小，可靠性高。美泰电子自主研发的MTS2000和MTS2001测量精度达到0.001°，内置温度传感器，体积小适用多种场合，并具有良好的振动和冲击特性，已批量应用于雷达天线角对准，火炮炮管初设角度测量，卫星通信车姿态检测盒天线角度测量。

 

　

 

　　航天航空集当代先进制造技术、信息技术和材料技术于一身对传感器的要求越来越高。MEMS传感器发展方向是多功能化、小型化、智能化、集成化，随着产品可靠性进一步提高和价格降低，制作技术发展的不断成熟和完善，MEMS传感器在航空航天领域的应用将会在更广泛范围取代传统传感器。