MEMS航空微時代

摘 要：MEMS（MicroElectronMechanicSystems）技術是從專用集成電路（ASIC）技術發展過來的，已經在電子產品、汽車工業、機械、化工及醫藥等各領域得到廣泛的應用。近年來，MEMS器件在航空領域的應用越來越受到各國重視。本文首先介紹了MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS-IMU慣性導航組合系統等目前在航空領域有一定應用前景的MEMS傳感器，對這些傳感器在國外的應用研究進行了匯總，最后，介紹國內已有初步進展的MEMS傳感器設計應用，并指出我國的航空微時代的研究方向。

關鍵詞：MEMS傳感器；MEMS加速度計；陀螺儀；MEMS-IMU

中圖分類號：TJ761.1 文獻標識碼：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械融合為一體的新興微機械技術，得到了迅猛發展。MEMS技術已經在汽車電子穩定系統、GPS輔助導航系統、車輛姿態測量、數碼相機穩像系統等方面有了成功應用。

MEMS傳感器種類繁多，在航空領域有一定應用前景的有MEMS加速度計、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，主要從事紅外導引信息處理技術。MEMS慣性測量組合等。根據其測量精度的不同，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傳感器已經可以滿足航空領域的使用要求。目前，在工程上MEMS加速度計的精度可以達到1×10-4g，MEMS陀螺可以達到10（°）/h的精度，滿足了戰術級導航的水平[1]。1 MEMS加速度計

1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速度計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。至今，MEMS加速度計已成為MEMS傳感器中技術最成熟，在商業化產品中應用最成功的傳感器。MEMS加速度計在航空航天主要應用在姿態航向基準系統、飛機導航系統、飛行控制系統、制導系統等[2]。

1.1 主要特點

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

MEMS加速度計根據測量形式可以分為電容式、壓電式和壓阻式。其區別在于，電容式加速度計利用慣性質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；壓電式加速度計利用物體運動時內置的質量塊會產生壓力，使支撐的剛體發生應變產生壓電效應，從而把加速度轉變成電信號輸出，具有尺寸小、重量輕、結構較簡單、易于實現高精度測量的特點；壓阻式加速度計通過壓敏電阻阻值變化來獲得加速度，其結構、制作工藝和檢測電路都相對簡單。

1.2 國外發展動態

美國ADI公司是最早實現加速度計結構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，耐沖擊強度10000g，并且具有出色的溫度穩定性和良好的靈敏度，使得MEMS加速度計能夠在導航控制領域得到更廣泛、更可靠的應用。

LittonSiACTM硅加速度計是一種單質量塊三軸加速度計，其量程超過100g，零偏優于20×10-6 g，標度因數穩定性優于5×10-5，是中高精度加速度計的典型代表[4]。LittonSiACTM硅加速度計與陀螺儀共同組成LN-200IMU等慣性測量裝置，已成功應用在先進中距空空導彈等武器平臺上。

Draper實驗室研制的諧振式加速度計在世界上處于領先地位。其研制的差分式結構加速度計，基頻為20kHz，標度因數為100Hz/g，標度因數穩定性為3×10-6，零偏穩定性為5μg，品質因數Q的典型值大于1×105，主要應用于對穩定性要求較高的領域。

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

Sunder2Strand公司研制的振梁式加速度計，是一種戰術級的MEMS傳感器，可以應用于各種專門用途的制導系統，如RBA2500主要應用于戰術導彈和智能炸彈的制導系統[5]。

2 MEMS陀螺儀

1852年法國科學家J.B.L.傅科制作了第一個陀螺儀，這是一套能顯示地球轉動的儀器。1914年，陀螺開始作為慣性基準構成飛機的電動陀螺穩定裝置。1988年，美國CSDL設計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，是應用于現代飛機姿態航向參考系統、船舶導航和航天與空間定位[2]等方面的一種慣性導航儀。

2.1 主要特點

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）力原理的微機械單元，以物體本身作為參照物，震動質量塊被懸掛在基座上（如圖2），運動時帶動基座旋轉產生正比于角速度的科里奧利力，從而檢測出物體運動的角速度。這種陀螺儀沒有旋轉部件、不需要軸承、可批量生產，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 國外發展動態

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

美國BEI公司的高性能單軸、固態石英音叉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內穩定值≤0.002（°）/s，分辨率為0.004（°）/s，質量≤60g。目前已應用于“捕食者”無人機和“幼畜”空對地導彈[8]、“阿帕奇”直升機和S-92直升機的穩定平臺中。

美國霍尼韋爾公司（HoneyWell）研制的新型兩軸MEMS陀螺GG5200專為導引頭瞄準線穩定、天線指向穩定、炮塔穩定和飛行控制而設計。據悉，GG5200已替代機械陀螺應用到Stryker裝甲車的炮塔穩定平臺中。

英國BAE公司生產的硅振環式陀螺，能夠耐過載20000，精度達到10～20（°）/h。該MEMS陀螺技術已經應用于Si-IMU系列慣性測量組合，南非A-Darter空空導彈的中段制導中。

3 MEMS-IMU

MEMS-IMU（InertialMeasurementUnit）是MEMS技術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、可靠性高等特點，適用于各種戰術武器的制導系統[9]。MEMS-IMU器件如圖3所示。

3.1 主要特點

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加速度計通過獲得物體運動的加速度來進行測斜調平，MEMS陀螺儀利用慣性得到物體運動的角速率，從而控制物體運動姿態。加速度計多用在靜態或者勻慢速運動中，陀螺儀多應用在動態中。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動方向和軌跡。

3.2 國外發展動態

自1994年至今，美國諾斯羅普·格魯門公司已經向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組合。它由3個光纖陀螺和3個MEMS硅加速度計組成，主要用于儀器穩定、運動補償和備用導航傳感器。現已在“火星漫游者”、AGM-142空地導彈、BQM-74E亞聲速靶機、“蘭天”機載吊艙式光電系統、“全球鷹”無人機及先進中距空空導彈等武器平臺上得到應用。

Draper實驗室最新研制的MEMSIMU體積為133cm3，質量為272g，輸入電壓為5V（DC），總功耗為3.1W，最大可承受加速度為20000g，零偏和標度因數的多次啟動重復性分別為3（°）/h和7.0×10-5，隨機游走在0.05～0.09（°）/h之間，在0～70℃溫度變化范圍內，一次啟動的零偏和標度因數平均為8（°）/h和2.5×10-4，采用ALLAN方差評價該IMU內陀螺的零偏穩定性，對1000s時間內的數據進行平均，IMU內部陀螺的零偏穩定性指標達到0.1（°）/h[10]。

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

3.3 MEMS-IMU的多軸發展趨勢

目前，在航空領域應用范圍最廣泛的是三軸MEMS-IMU。但為了保持領先的市場地位，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新性和挑戰性。2012年意法半導體推出LSM330。這是一款可以自定義運動識別功能的六軸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加速度計和兩個嵌入式有限狀態機（FiniteStateMachine）。同年，意法半導體又推出LSM333D。相對于LSM330，LSM333D在模塊中增加了一個三軸磁力計，從而成為九軸MEMS-IMU。美國克爾斯博科技公司研制的NAV440型組合導航就是一款內置GPS的九軸MEMS-IMU，該系統裝配了高穩定性的硅MEMS陀螺儀，采用復雜環境密封形式，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，主要應用于無人飛機控制、陸地車輛導航、平臺穩定控制等領域。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強大的性能，在未來飛機導航、無人飛機、移動式平臺定位等要求實時定位但卻存在持續運動，并且具有復雜、動態特點的系統中是非常必要的。

4 國內研究動態

我國MEMS技術起步于20世紀90年代初，現已研制出一系列微電機、微泵與微調、微操作系統模型等。尤其是在“九五”期間，先后建立了兩個加工基地（IC、LIGA）和一個項目研究中心[13]，使得我國某些MEMS產品的技術達到了國外同類產品水平。但是，我國目前的研究重點傾向于MEMS器件的設計制造，在航空領域MEMS傳感器的應用相對較少。

據調查，國內已有將云臺穩像系統框架設計與ADI公司ADXRS300型號MEMS陀螺相結合[14]的設計方案。這種結合了MEMS陀螺的框架結構價格低廉，布局簡單緊湊，系統平穩性好，能夠快速跟蹤目標，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，類似于導引系統中用作跟蹤控制的穩定平臺，因此，在飛航導彈中使用MEMS傳感器，也是未來國內航空微時代的一大發展趨勢。

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。國內有研究利用AD公司的MEMS陀螺和ADIS16355加速度計作為慣性傳感器組成捷聯慣性導航系統，以Fastrax公司的iTrax02衛星導航接收機和Honey Well公司的HMR3000為磁導航系統的組合導航系統硬件，軟硬件融合。構成的組合導航系統在三軸多功能轉臺上的試驗結果表明，組合導航系統MEMS-IMU的精度優于三個獨立導航系統的任一子系統精度，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。

在IMU慣性組合的實際應用中，MEMS陀螺和加速度計常會因為溫度的影響產生誤差，因此，對MEMS慣性器件的溫度補償研究也非常重要。有研究利用最小二乘建模、BP神經網絡以及小波分析法分別建立零點溫度模型和比例因子的溫度模型[16]，并對仿真結果進行比較發現，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，因為小波分析法實現起來比較復雜，因此推斷出BP神經網絡是解決溫度誤差的有效途徑。這一結論為后續的MEMS-IMU慣性組合研究工作奠定了基礎。

近幾年，MEMS技術的應用設計研究逐漸受到重視。在創新基金項目中，由MEMS系統中發展起來的MOEMS（微光機電系統）技術嶄露頭角。

此外，國內還有其他關于MEMS器件在航空航天方面的應用研究，各種研究均說明，MEMS傳感器在我國航空航天領域的實際應用指日可待。

5 結 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的主要發展趨勢。MEMS器件已經在國外的航空航天領域得到了快速的發展。雖然在國內航空領域有關MEMS傳感器應用的公開報道還很少，但是，國家的支持和各研究機構前瞻性的探索使在航空機載設備中使用MEMS傳感器已逐漸成為可能。可以預計，在這個國際航空微時代的大環境中，國內MEMS傳感器的應用也將會成為舉世矚目的焦點，對未來戰術導彈智能化、微型化起到不可估量的作用。

參考文獻：

[1]蔣慶仙.關于MEMS慣性傳感器的發展及在組合導航中的應用前景[J].測繪通報，2006（9）.

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

[3]張英，戚紅向，李德強，等.MEMS航天慣導產品及技術發展簡介[J].航天標準化，2010（3）.

[4]王勇.MEMS技術發展及應用優勢[J].飛航導彈，2011（5）.

[5]黎敏，李玉林.光纖陀螺與精確制導[J].中國計量學院學報，2004，15（3）：175-180.

[6]王淑華.MEMS傳感器現狀及應用[J].微納電子技術，

[7]楊業飛，申文濤.慣性穩定平臺中陀螺技術的發展現狀和應用研究[J].飛航導彈，2011（2）.

[8]谷慶紅.微機械陀螺儀的研制現狀[J].中國慣性技術學報，2003，11（5）：67-72.

[9]任子西.MEMS技術將會為戰術導彈帶來一場革命[J].戰術導彈技術，2010（1）.

[10]李榮冰，劉建業，曾慶化，等.基于MEMS技術的微型慣性導航系統的發展現狀[J].中國慣性技術學報，2004，12（6）：88-94.

[11]張純學，王培.更小、更輕、更廉價的微機電系統[J].