MEMS航空微時代

摘 要：MEMS（MicroElectronMechanicSystems）技術(shù)是從專用集成電路（ASIC）技術(shù)發(fā)展過來的，已經(jīng)在電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來，MEMS器件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到各國重視。本文首先介紹了MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、MEMS-IMU慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng)等目前在航空領(lǐng)域有一定應(yīng)用前景的MEMS傳感器，對這些傳感器在國外的應(yīng)用研究進(jìn)行了匯總，最后，介紹國內(nèi)已有初步進(jìn)展的MEMS傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用，并指出我國的航空微時代的研究方向。

關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；MEMS加速度計(jì)；陀螺儀；MEMS-IMU

中圖分類號：TJ761.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）05-0018-04

MEMSEraofAviation

HANYing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Microelectronmechanicsystem（MEMS）technologydevelopsonASIC，andniQN/BNJU37lnrntMktvy2hK98EupfSd+EmCscQJLFA=haswidely usedinelectronics，automotive，machinery，chemicalandpharmaceuticalfields，andsoon.Inrecent years，morecountriespayattentiontoMEMSdevicesintheaviationfield.Thispaperintroducesthe promisingMEMSdevicesfirstly，suchasMEMSaccelerometer，MEMSgyroscope，MEMSIMU，theninvestigatesandsummarizestheforeignstudiesofthesesensors.Finally，itintroducestheinitialprogressof MEMSsensorinChina，andpointsoutthedirectionofMEMSaviation.

Keywords：MEMSsensor；MEMSaccelerometer；gyroscope；MEMSIMU

0 引 言

自1962年第一個硅微型壓力傳感器問世以來，MEMS作為一種將微電子與精密機(jī)械融合為一體的新興微機(jī)械技術(shù)，得到了迅猛發(fā)展。MEMS技術(shù)已經(jīng)在汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)、GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、車輛姿態(tài)測量、數(shù)碼相機(jī)穩(wěn)像系統(tǒng)等方面有了成功應(yīng)用。

MEMS傳感器種類繁多，在航空領(lǐng)域有一定應(yīng)用前景的有MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、

收稿日期：2013-03-25

作者簡介：韓穎（1988-），女，浙江溫州人，碩士研究生，主要從事紅外導(dǎo)引信息處理技術(shù)。MEMS慣性測量組合等。根據(jù)其測量精度的不同，每一種MEMS傳感器又可以分為低精度MEMS傳感器、中精度MEMS傳感器和高精度MEMS傳感器。中高精度的MEMS傳感器已經(jīng)可以滿足航空領(lǐng)域的使用要求。目前，在工程上MEMS加速度計(jì)的精度可以達(dá)到1×10-4g，MEMS陀螺可以達(dá)到10（°）/h的精度，滿足了戰(zhàn)術(shù)級導(dǎo)航的水平[1]。1 MEMS加速度計(jì)

1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速度計(jì)的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計(jì)的研制。至今，MEMS加速度計(jì)已成為MEMS傳感器中技術(shù)最成熟，在商業(yè)化產(chǎn)品中應(yīng)用最成功的傳感器。MEMS加速度計(jì)在航空航天主要應(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[2]。

1.1 主要特點(diǎn)

MEMS加速度計(jì)是一種基于HOOK定律的質(zhì)量塊單元，根據(jù)測量質(zhì)量塊偏移零點(diǎn)的距離x，彈簧的彈性系數(shù)k和已知質(zhì)量塊的質(zhì)量m來獲得加速度值a，由公式（1），（2）可推出（3）。

MEMS加速度計(jì)根據(jù)測量形式可以分為電容式、壓電式和壓阻式。其區(qū)別在于，電容式加速度計(jì)利用慣性質(zhì)量塊在加速度作用下引起懸臂梁變形，通過電容值的變化來獲得加速度的大小，具有靈敏度高、噪聲低、漂移小的特點(diǎn)；壓電式加速度計(jì)利用物體運(yùn)動時內(nèi)置的質(zhì)量塊會產(chǎn)生壓力，使支撐的剛體發(fā)生應(yīng)變產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而把加速度轉(zhuǎn)變成電信號輸出，具有尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)較簡單、易于實(shí)現(xiàn)高精度測量的特點(diǎn)；壓阻式加速度計(jì)通過壓敏電阻阻值變化來獲得加速度，其結(jié)構(gòu)、制作工藝和檢測電路都相對簡單。

1.2 國外發(fā)展動態(tài)

美國ADI公司是最早實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和電路單片集成的公司。自1993年至今，以ADXL50為代表的微慣性器件全球銷量已超過1億件[3]。近年來，ADI推出體積更小，功耗更低的三軸加速度計(jì)系列。以ADXL330為代表，如圖1，其采用小封裝4mm×4mm×1.45mmLFCSP，在1.8V時消耗電流為180μA，加速度測量范圍±3g，耐沖擊強(qiáng)度10000g，并且具有出色的溫度穩(wěn)定性和良好的靈敏度，使得MEMS加速度計(jì)能夠在導(dǎo)航控制領(lǐng)域得到更廣泛、更可靠的應(yīng)用。

LittonSiACTM硅加速度計(jì)是一種單質(zhì)量塊三軸加速度計(jì)，其量程超過100g，零偏優(yōu)于20×10-6 g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于5×10-5，是中高精度加速度計(jì)的典型代表[4]。LittonSiACTM硅加速度計(jì)與陀螺儀共同組成LN-200IMU等慣性測量裝置，已成功應(yīng)用在先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈等武器平臺上。

Draper實(shí)驗(yàn)室研制的諧振式加速度計(jì)在世界上處于領(lǐng)先地位。其研制的差分式結(jié)構(gòu)加速度計(jì)，基頻為20kHz，標(biāo)度因數(shù)為100Hz/g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為3×10-6，零偏穩(wěn)定性為5μg，品質(zhì)因數(shù)Q的典型值大于1×105，主要應(yīng)用于對穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域。

瑞士Colibrys公司的RS9010.A，長期偏置重復(fù)性總體目標(biāo)為1.5mg，顯示出優(yōu)異的振動整流特性，其量程為+/-10g。這些性能驗(yàn)證了RS9010. A是未來的高精度航姿參考系統(tǒng)（AHRS）應(yīng)用的最佳選擇之一，如無人機(jī)、大型民用飛機(jī)、直升機(jī)和陸路或海上航行，或任何中精度低過載導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）。

Sunder2Strand公司研制的振梁式加速度計(jì)，是一種戰(zhàn)術(shù)級的MEMS傳感器，可以應(yīng)用于各種專門用途的制導(dǎo)系統(tǒng)，如RBA2500主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和智能炸彈的制導(dǎo)系統(tǒng)[5]。

2 MEMS陀螺儀

1852年法國科學(xué)家J.B.L.傅科制作了第一個陀螺儀，這是一套能顯示地球轉(zhuǎn)動的儀器。1914年，陀螺開始作為慣性基準(zhǔn)構(gòu)成飛機(jī)的電動陀螺穩(wěn)定裝置。1988年，美國CSDL設(shè)計(jì)研制了最早的雙框架式MEMS陀螺。MEMS陀螺儀主要用于角速度的測量，是應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)、船舶導(dǎo)航和航天與空間定位[2]等方面的一種慣性導(dǎo)航儀。

2.1 主要特點(diǎn)

目前公開的MEMS陀螺儀基本上都采用振動物體傳感角速度的概念。其原理是一個基于科里奧利（Coriolis）力原理的微機(jī)械單元，以物體本身作為參照物，震動質(zhì)量塊被懸掛在基座上（如圖2），運(yùn)動時帶動基座旋轉(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。這種陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承、可批量生產(chǎn)，已研制成功的MEMS陀螺主要有音叉式、諧振梁式和雙框架式等[6]。

2.2 國外發(fā)展動態(tài)

JPL研制的四葉式硅陀螺，采用體加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工，最后進(jìn)行微組裝工藝裝配，體積為73.8cm3，功耗1W，零偏穩(wěn)定性<1（°）/s，可以應(yīng)用于微小衛(wèi)星的導(dǎo)航控制。

美國BEI公司的高性能單軸、固態(tài)石英音叉MEMS振動陀螺儀QRS11[7]，該陀螺的測量范圍有±50（°）/s、±100（°）/s、±200（°）/s、±500（°）/s和±1000（°）/s，恒溫100s內(nèi)穩(wěn)定值≤0.002（°）/s，分辨率為0.004（°）/s，質(zhì)量≤60g。目前已應(yīng)用于“捕食者”無人機(jī)和“幼畜”空對地導(dǎo)彈[8]、“阿帕奇”直升機(jī)和S-92直升機(jī)的穩(wěn)定平臺中。

美國霍尼韋爾公司（HoneyWell）研制的新型兩軸MEMS陀螺GG5200專為導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定、天線指向穩(wěn)定、炮塔穩(wěn)定和飛行控制而設(shè)計(jì)。據(jù)悉，GG5200已替代機(jī)械陀螺應(yīng)用到Stryker裝甲車的炮塔穩(wěn)定平臺中。

英國BAE公司生產(chǎn)的硅振環(huán)式陀螺，能夠耐過載20000，精度達(dá)到10～20（°）/h。該MEMS陀螺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于Si-IMU系列慣性測量組合，南非A-Darter空空導(dǎo)彈的中段制導(dǎo)中。

3 MEMS-IMU

MEMS-IMU（InertialMeasurementUnit）是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測量單元，具有體積小、成本低、抗振動和抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，適用于各種戰(zhàn)術(shù)武器的制導(dǎo)系統(tǒng)[9]。MEMS-IMU器件如圖3所示。

3.1 主要特點(diǎn)

MEMS-IMU主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成。MEMS加速度計(jì)通過獲得物體運(yùn)動的加速度來進(jìn)行測斜調(diào)平，MEMS陀螺儀利用慣性得到物體運(yùn)動的角速率，從而控制物體運(yùn)動姿態(tài)。加速度計(jì)多用在靜態(tài)或者勻慢速運(yùn)動中，陀螺儀多應(yīng)用在動態(tài)中。因此，將這幾種傳感器搭配使用，可更精確地偵測出物體的運(yùn)動方向和軌跡。

3.2 國外發(fā)展動態(tài)

自1994年至今，美國諾斯羅普·格魯門公司已經(jīng)向100多家客戶交付LN-200IMU超過20000套。LN-200IMU是一種體型小、重量輕、可靠性高的光纖慣導(dǎo)組合。它由3個光纖陀螺和3個MEMS硅加速度計(jì)組成，主要用于儀器穩(wěn)定、運(yùn)動補(bǔ)償和備用導(dǎo)航傳感器?，F(xiàn)已在“火星漫游者”、AGM-142空地導(dǎo)彈、BQM-74E亞聲速靶機(jī)、“蘭天”機(jī)載吊艙式光電系統(tǒng)、“全球鷹”無人機(jī)及先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈等武器平臺上得到應(yīng)用。

Draper實(shí)驗(yàn)室最新研制的MEMSIMU體積為133cm3，質(zhì)量為272g，輸入電壓為5V（DC），總功耗為3.1W，最大可承受加速度為20000g，零偏和標(biāo)度因數(shù)的多次啟動重復(fù)性分別為3（°）/h和7.0×10-5，隨機(jī)游走在0.05～0.09（°）/h之間，在0～70℃溫度變化范圍內(nèi)，一次啟動的零偏和標(biāo)度因數(shù)平均為8（°）/h和2.5×10-4，采用ALLAN方差評價(jià)該IMU內(nèi)陀螺的零偏穩(wěn)定性，對1000s時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，IMU內(nèi)部陀螺的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到0.1（°）/h[10]。

使用了英國BAE公司MEMSIMU產(chǎn)品的雷神公司的增程制導(dǎo)彈藥（ERGM）和美軍亞瑟王神劍（Excali2bur）XM2982制導(dǎo)炮彈都已出色地完成制導(dǎo)發(fā)射任務(wù)[11]。其中ERGMIMU在專用81mm迫擊炮多發(fā)彈發(fā)射試驗(yàn)中抗震能力達(dá)16000g[12]，性能卓越，為新一代制導(dǎo)武器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3.3 MEMS-IMU的多軸發(fā)展趨勢

目前，在航空領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣泛的是三軸MEMS-IMU。但為了保持領(lǐng)先的市場地位，各大傳感器公司都在研制新型多軸MEMS器件，這使得微航空時代更加具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。2012年意法半導(dǎo)體推出LSM330。這是一款可以自定義運(yùn)動識別功能的六軸MEMS-IMU。所謂六軸MEMS-IMU，就是在一個模塊中整合了一個三軸MEMS陀螺、一個三軸MEMS加速度計(jì)和兩個嵌入式有限狀態(tài)機(jī)（FiniteStateMachine）。同年，意法半導(dǎo)體又推出LSM333D。相對于LSM330，LSM333D在模塊中增加了一個三軸磁力計(jì)，從而成為九軸MEMS-IMU。美國克爾斯博科技公司研制的NAV440型組合導(dǎo)航就是一款內(nèi)置GPS的九軸MEMS-IMU，該系統(tǒng)裝配了高穩(wěn)定性的硅MEMS陀螺儀，采用復(fù)雜環(huán)境密封形式，定位誤差<2.5 m，水平速度誤差<0.4m/s，垂直速度誤差<0.5 m/s，主要應(yīng)用于無人飛機(jī)控制、陸地車輛導(dǎo)航、平臺穩(wěn)定控制等領(lǐng)域。ADI公司不甘落后，在增加一個壓力傳感器和ADI的ADSPBF512Blackfin處理器后，推出了十軸ADIS16480MEMSIMU。這種十軸MEMS-IMU強(qiáng)大的性能，在未來飛機(jī)導(dǎo)航、無人飛機(jī)、移動式平臺定位等要求實(shí)時定位但卻存在持續(xù)運(yùn)動，并且具有復(fù)雜、動態(tài)特點(diǎn)的系統(tǒng)中是非常必要的。

4 國內(nèi)研究動態(tài)

我國MEMS技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代初，現(xiàn)已研制出一系列微電機(jī)、微泵與微調(diào)、微操作系統(tǒng)模型等。尤其是在“九五”期間，先后建立了兩個加工基地（IC、LIGA）和一個項(xiàng)目研究中心[13]，使得我國某些MEMS產(chǎn)品的技術(shù)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平。但是，我國目前的研究重點(diǎn)傾向于MEMS器件的設(shè)計(jì)制造，在航空領(lǐng)域MEMS傳感器的應(yīng)用相對較少。

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)已有將云臺穩(wěn)像系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與ADI公司ADXRS300型號MEMS陀螺相結(jié)合[14]的設(shè)計(jì)方案。這種結(jié)合了MEMS陀螺的框架結(jié)構(gòu)價(jià)格低廉，布局簡單緊湊，系統(tǒng)平穩(wěn)性好，能夠快速跟蹤目標(biāo)，最終成功隔離空氣動力、溫度擾動等對空中云臺的影響，得到穩(wěn)定的跟蹤圖像，從而使空中云臺的測量精度得到很大的提升。該研究中的空中云臺，類似于導(dǎo)引系統(tǒng)中用作跟蹤控制的穩(wěn)定平臺，因此，在飛航導(dǎo)彈中使用MEMS傳感器，也是未來國內(nèi)航空微時代的一大發(fā)展趨勢。

在微型慣性測量單元MEMS-IMU倍受青睞的同時，對其可靠性的研究也必不可少。國內(nèi)有研究利用AD公司的MEMS陀螺和ADIS16355加速度計(jì)作為慣性傳感器組成捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以Fastrax公司的iTrax02衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和Honey Well公司的HMR3000為磁導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)硬件，軟硬件融合。構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在三軸多功能轉(zhuǎn)臺上的試驗(yàn)結(jié)果表明，組合導(dǎo)航系統(tǒng)MEMS-IMU的精度優(yōu)于三個獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)的任一子系統(tǒng)精度，可靠性得到提高[15]。這一研究為MEMS-IMU具有更高的精度可靠性，提供了理論依據(jù)。

在IMU慣性組合的實(shí)際應(yīng)用中，MEMS陀螺和加速度計(jì)常會因?yàn)闇囟鹊挠绊懏a(chǎn)生誤差，因此，對MEMS慣性器件的溫度補(bǔ)償研究也非常重要。有研究利用最小二乘建模、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及小波分析法分別建立零點(diǎn)溫度模型和比例因子的溫度模型[16]，并對仿真結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，誤差最小的是小波分析法，誤差最大的是最小二乘建模。但是，因?yàn)樾〔ǚ治龇▽?shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，因此推斷出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是解決溫度誤差的有效途徑。這一結(jié)論為后續(xù)的MEMS-IMU慣性組合研究工作奠定了基礎(chǔ)。

近幾年，MEMS技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究逐漸受到重視。在創(chuàng)新基金項(xiàng)目中，由MEMS系統(tǒng)中發(fā)展起來的MOEMS（微光機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)嶄露頭角。

此外，國內(nèi)還有其他關(guān)于MEMS器件在航空航天方面的應(yīng)用研究，各種研究均說明，MEMS傳感器在我國航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用指日可待。

5 結(jié) 束 語

從各國研制MEMS傳感器的情況來看，低成本、小型化、高可靠性是未來武器系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。MEMS器件已經(jīng)在國外的航空航天領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。雖然在國內(nèi)航空領(lǐng)域有關(guān)MEMS傳感器應(yīng)用的公開報(bào)道還很少，但是，國家的支持和各研究機(jī)構(gòu)前瞻性的探索使在航空機(jī)載設(shè)備中使用MEMS傳感器已逐漸成為可能?？梢灶A(yù)計(jì)，在這個國際航空微時代的大環(huán)境中，國內(nèi)MEMS傳感器的應(yīng)用也將會成為舉世矚目的焦點(diǎn)，對未來戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈智能化、微型化起到不可估量的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣慶仙.關(guān)于MEMS慣性傳感器的發(fā)展及在組合導(dǎo)航中的應(yīng)用前景[J].測繪通報(bào)，2006（9）.

[2]佟玲，鄒文江，劉瀟瀟.航空航天MEMS傳感器應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子世界，2011（1）：20-21.

[3]張英，戚紅向，李德強(qiáng)，等.MEMS航天慣導(dǎo)產(chǎn)品及技術(shù)發(fā)展簡介[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化，2010（3）.

[4]王勇.MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢[J].飛航導(dǎo)彈，2011（5）.

[5]黎敏，李玉林.光纖陀螺與精確制導(dǎo)[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，15（3）：175-180.

[6]王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，

[7]楊業(yè)飛，申文濤.慣性穩(wěn)定平臺中陀螺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用研究[J].飛航導(dǎo)彈，2011（2）.

[8]谷慶紅.微機(jī)械陀螺儀的研制現(xiàn)狀[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，11（5）：67-72.

[9]任子西.MEMS技術(shù)將會為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈帶來一場革命[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2010（1）.

[10]李榮冰，劉建業(yè)，曾慶化，等.基于MEMS技術(shù)的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12（6）：88-94.

[11]張純學(xué)，王培.更小、更輕、更廉價(jià)的微機(jī)電系統(tǒng)[J].