MEMS传感器在航空综合电子备份仪表中的应用

MEMS传感器在航空综合电子备份仪表中的应用

杨朋飞

（航天神舟飞行器有限公司天津300301）

摘要：概述微机电传感器的技术现状和在IESI中的应用。通过国外典型IESI产品，着重分析了IESI的组成原理、性能特点和微机电传感器的作用。研究表明：包括高精度微机电惯性敏感器、微硅压力计在内的微型传感器开发是IESI的技术关键，国产化IESI设备在军/民用飞机中有广泛的应用前景。

关键词：微机电系统；航空综合电子备份仪表；惯性测量装置

MEMS是一种相对比较新型的技术，从上个世纪80年代开始就得到了高效的发展。由于微机电系统技术的传感器的制作材料具有一定的特殊性，因此，制作工艺也比较特殊。在实际的应用中需要对尺寸、重量以及耗能情况等进行深入介绍和分析，然后根据系统的特点来对其进行改进，进而在相关的领域中进行应用，这样才能够不断提升设备的应用价值。从MEMS传感器在军事领域以及在一些比较恶劣的自然环境当中的应用程度上来进行深入分析，可见，这种传感器具有较高的发展前景。

1MEMS传感器

用于航空综合电子备份仪表的MEMS传感器主要有陀螺仪、加速度计和压力传感器。飞行姿态运动是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度。目前常见的MEMS陀螺仪有双平衡环结构，悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等，通过被激励的振动体对哥氏加速度的敏感来测量角速度。运动载体的线运动加速度是通过加速度传感器测量的，硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的MEMS传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式，最具有吸引力的是力平衡加速度计。微机电压力传感器是最早开始研制、最早开始产业化的MEMS产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础。

2IESI系统及其原理构成

2.1IESI的作用与现状

为了保障飞行安全，航空电子仪表的重要性越来越受到人们的重视。据报道，国外飞机的姿态仪表均有多余度备份并加装有独立的应急备份仪表，而其他重要的仪表如空速、高度等仪表也有应急备份。随着现代飞机航空电子仪表综合化的趋势，未来航空应急备份仪表的发展必然要走综合化的道路，IESI技术的重要性将越来越突出。IESI可以实现飞机航向、姿态（俯仰角、倾斜角）、空速、高度、马赫数等重要飞行参数的指示（显示）备份，简单说就是可以同时在一个仪表上实现地平仪、高度表、空速表、马赫数表等多个仪表的备份指示，在主仪表系统故障的特殊情况下这种高度综合备份仪表非常有利于飞行员操控飞机安全处置特情。

近年来IESI技术开始受到国内航空工业的重视，并投入力量进行研制。但目前尚未有完全独立知识产权的IESI产品问世，其中缺少符合需求的MEMS惯性传感器是主要原因之一。

2.2IESI的基本构成原理

IESI主要由惯性测量单元（IMU）、压力测量模块（PSM）、电源模块（PSU）、接口模块（INB）、CPU图形处理模块CPGDM、母板、液晶显示屏、框架与外壳等构成。惯性测量单元IMU是综合电子备份仪表的核心部件之一，其中的惯性敏感元件为小型的陀螺和加速度计，用来感受飞机三个轴向的加速度和角速率，经过计算机坐标变换解算获得飞机姿态角。其功能相当于一个小型的捷联惯性姿态系统。压力测量模块PSM用于测量飞机的气压高度和空速，压力测量模块有2个独立的微硅压力传感器和相应的电子线路，微硅压力传感器将静压Ps、全压Pt变换成频率信号，通过电路变换成电压数字信号，经计算机解算得到飞机的气压高度，真空速、表速、马赫数等信号。其功能相当于一个小型的大气机。

LCD液晶显示面板由于显示飞机的姿态角、气压高度、真空速、表速、马赫数等飞行参数。ARINC429接口模块用于与外部设备进行数据交换，它可以接收外部机载设备通过ARINC429数据总线传输的飞机其他飞行参数，如与外部磁罗盘交联可以接收飞机磁航向，与无线电近距着陆设备交联可以接受飞机近距着陆信号，在液晶显示器上显示飞机的磁航向、近距着陆信息。

3IESI主要技术性能和关键技术

3.1小型化MEMS惯性测量单元

IMU采用捷联式设计，IESI在飞机上安装与飞机轴线平行直接固联，即可满足对飞机姿态角的测量要求。为了实现IESI的小型化，IMU中的惯性测量元件需要采用微机电陀螺和微硅加速度计。MEMS陀螺和微硅加速度计分别用来感受飞机三个轴向的角速率和加速度，经过计算机坐标变换解算获得飞机俯仰角、横滚角。目前国内研制的微机电陀螺、加速度计精度还有待于提高，还缺乏工程化产品以供选择。

3.2压力测量单元PSU

静压和全压传感器采用微硅压力传感器，独立双通道微硅压力传感器分别感受大气全压Pt和静压信号Ps并将其变换成频率信号，通过电路变换成电压数字信号，经计算机解算得到飞机的气压高度，真空速、表速等信号。工程化国产硅微压力传感器的性能水平还有待于提高。

3.3LCD液晶显示器

显示部件为耐高低温16色AMLCD显示屏。前面板的边框键和气压调整旋钮依据IESI的功能要求进行人性化设计以满足飞行员使用要求。

3.4CPU及图形处理模块CPGDM

模块中的CPU和图形处理器GPU采用小型军品芯片，具备成熟的Allinone一体化功能。根据功能要求的定制模块，可以大大缩短硬件研制的过程，也是国际上航空产品研制生产的一个发展趋势。

3.5软件研制

软件研制以较成熟的捷联姿态算法和卡尔曼滤波技术为基础，飞行姿态捷联解算可将与飞机固联的IMU测量的三轴加速度和陀螺角速率信号解算出航向和姿态角。飞行器的空速和气压高度利用微硅压力传感器感受到的大气全压和静压信号解算获得。飞行姿态的图形显示也是IESI综合电子备份仪表显示软件的一个重要研究开发内容，为了实现姿态和空速的实时显示，系统软件运行平台必须具有较强的实时性。

3.6综合测试与标定

传感器精度性能的提升越来越依赖于精确测试基础上的误差分离与补偿技术，具有姿态、加速度、压力等参数现场环境综合测试与校准能力的测试设备和技术也是IESI性能保证的重要基础。

综合分析，目前我国航空仪表各研制单位在航空机载设备研制方面已经积累了精密加工工艺技术基础和制造经验，在不久的将来有望研制出具有我国独立知识产权的工程化MEMS惯性传感器，并将其应用到国产化的IESI产品研制之中，生产出完全国产化的航空综合电子备份仪表。

总结

从飞行安全保障和航空技术发展趋势来看，IESI技术不仅可以用于民用航空领域还可以推广到军用飞机，将MEMS传感器应用于国产化IESI系统具有重要意义和广阔的应用前景。综合分析来看，目前我国航空工业在机载设备的精密制造与综合测试技术方面已经积累了经验，具备了一定的自主研制与开发多用途IESI产品的技术基础。MEMS传感器———硅微陀螺仪、加速度计和微硅压力传感器是国产化IESI核心部件之一，因此高精度航空MEMS传感器产品的研制及其相应的综合测试标定技术的开发是国内航空机载设备研制生产单位今后一段时间的重要努力方向。

参考文献：

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[3]朱长纯，韩建强，刘君华.微机械传感器的现状与发展[J].电子元器件应用,2003(12).