機(jī)載傳感器發(fā)展與展望

1、機(jī)載傳感器發(fā)展與展望一、機(jī)載傳感器的內(nèi)涵與作用傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的 器件和裝置，它是測(cè)量技術(shù)的前端，也是信息技術(shù)的源頭，傳感器在航 空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文的研究對(duì)象是指除了紅外、激光、圖像、 雷達(dá)探測(cè)等機(jī)載光電、射頻傳感器系統(tǒng)外，那些基于壓力、溫度、加速 度、角度、位移、油量、生物敏、化學(xué)敏等原理的機(jī)載傳感器，主要用 于測(cè)量飛機(jī)的飛行姿態(tài)、狀態(tài)、導(dǎo)航定位參數(shù)、動(dòng)力裝置及燃滑油系統(tǒng) 工作參數(shù)，測(cè)量武器火控系統(tǒng)以及飛控、液壓、電源、起落架、環(huán)控、 救生、安全與防護(hù)等機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的工作參數(shù)，供駕駛員直接了解飛機(jī) 的有關(guān)狀態(tài)，對(duì)各種機(jī)載裝置和系統(tǒng)進(jìn)行控制。機(jī)載

2、傳感器安裝在飛機(jī) 的各個(gè)部位，應(yīng)用在飛機(jī)的各個(gè)不同的系統(tǒng)中。一方面，同一性質(zhì)的傳 感器可能要應(yīng)用在不同的機(jī)載系統(tǒng)和部位；另一方面，同一系統(tǒng)、同一 部位又可能設(shè)置多個(gè)相同的傳感器，以保證系統(tǒng)工作的可靠性與安全 性。機(jī)載傳感器是飛機(jī)各功能系統(tǒng)的前端信息源。機(jī)載傳感器按功能分類可以分為:飛行狀態(tài)、飛行姿態(tài)信息及其操縱 系統(tǒng)工作參數(shù)傳感器；導(dǎo)航、定位參數(shù)傳感器；動(dòng)力裝置及燃油滑油參數(shù) 傳感器；用于液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、救生系 統(tǒng)、安全與防護(hù)系統(tǒng).等工作參數(shù)傳感器。機(jī)載傳感器按被測(cè)量性質(zhì)分類可以分為:物理量傳感器：包括壓力、 力、力矩、位移、速度、加速度、角位移、角速度、轉(zhuǎn)速、溫度、

3、液位、 密度、流量、電量、光量、物態(tài)、方位、距離、地理位置傳感器等?；?學(xué)量傳感器：包括成份傳感器、煙霧探測(cè)器、火焰探測(cè)器等。機(jī)載傳感器技術(shù)是屬于由技術(shù)推動(dòng)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域之一，它超前于 飛機(jī)的發(fā)展以向飛機(jī)提供先進(jìn)的貨架產(chǎn)品。這種超前發(fā)展必須依靠健全 的科研體系、雄厚的技術(shù)力量和堅(jiān)實(shí)的科研條件作為后盾的。如國(guó)外近 期正在發(fā)展的機(jī)載嵌入分布式大氣數(shù)據(jù)傳感器、智能蒙皮（自適應(yīng)分布 式柔性傳感器結(jié)構(gòu)）、各種光纖式傳感器、各種硅微型傳感器等都是在各有關(guān)國(guó)家鼎力支持下，依靠各國(guó)的雄厚科研實(shí)力，突破以新原理、 新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等基礎(chǔ)性研究后得以不斷更新發(fā)展的。二、國(guó)外機(jī)載傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1992年

4、，美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)提出的關(guān)于美國(guó)國(guó)家長(zhǎng)期安全 和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的報(bào)告中，有6項(xiàng)與傳感器及 信息處理技術(shù)直接相關(guān)。日本政府對(duì)傳感器技術(shù)一直賦予高度重視，將 其列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的六大核心技術(shù)(傳感器、計(jì)算機(jī)、通信、激光、 半導(dǎo)體和超導(dǎo))之一。日本科學(xué)技術(shù)廳制訂的九十年代重點(diǎn)科研項(xiàng)目有 70個(gè)課題，其中有48個(gè)課題是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)的。西歐各國(guó)制 訂的尤里卡計(jì)劃也把傳感器技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中， 英國(guó)在上世紀(jì)八十年代初就成立了國(guó)家技術(shù)小組(BTG)，專門協(xié)助政府 組織和領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)開發(fā)工作。政府對(duì)包括微型傳感器在內(nèi)的微電子技術(shù)特 別重視，至今已撥出數(shù)千萬英鎊給予

5、重點(diǎn)支持。近些年來，在世界發(fā)達(dá)國(guó) 家持續(xù)不斷的高度重視與大力投資下，隨著材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微 電子和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。傳感器技 術(shù)正朝著集成化、智能化、微型化的方向發(fā)展。如美國(guó)集成化，從一 方面說，是利用微電子電路制作技術(shù)，將敏感元件與放大、調(diào)制、運(yùn)算、 補(bǔ)償?shù)葐卧娐芳稍谕恍酒?，?shí)現(xiàn)信號(hào)變換與信息處理的一體化。 另一方面，是利用集成電路制造技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，將多個(gè)測(cè)量功 能相同、相近或不同的單個(gè)敏感元件集成為一維線型傳感器或二維面型 (陣列)傳感器，實(shí)現(xiàn)信息多維化，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)。智能化， 指能夠根據(jù)具體情況自主進(jìn)行自補(bǔ)償、自檢測(cè)、自診斷、

6、自校準(zhǔn)、量程 切換、遠(yuǎn)程控制、設(shè)定調(diào)節(jié)、信息儲(chǔ)存記憶、雙向通訊等多種功能。微 型化，指敏感元件特征尺寸從幾毫米到幾微米的傳感器，通過MEMS 技術(shù)的支撐，可以將傳感器、執(zhí)行器與電路在同一襯底上結(jié)合，形成微型 集成傳感器系統(tǒng)。傳感器向集成化、智能化、微型化發(fā)展，是以材料科學(xué)、制造技 術(shù)和理論創(chuàng)新的不斷發(fā)展為基礎(chǔ)的。一些新型傳感器伴隨著新材料的發(fā) 展而發(fā)展的。半導(dǎo)體硅是固態(tài)傳感器的最重要的材料，其它如石英晶體 材料、超細(xì)微粒功能陶瓷、記憶合金、功能性薄膜、超導(dǎo)材料、高 分子復(fù)合材料.等，在傳感器技術(shù)中得到了成功的應(yīng)用。微電子機(jī)械系 統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展帶來了制造技術(shù)的革命性的變化，使現(xiàn)代傳感器

7、 技術(shù)進(jìn)入以微電子和微機(jī)械集成技術(shù)為主導(dǎo)技術(shù)的階段。MEMS技術(shù)起 始于六十年代，在近十年內(nèi)得到了快速發(fā)展。這種從IC制造技術(shù)發(fā)展 起來的微機(jī)械加工工藝，包含平面集成電路工藝、薄膜工藝、三維刻 蝕工藝、固相鍵合工藝、整體封裝工藝、測(cè)試標(biāo)定工藝等。它可使 被加工的敏感結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米、亞微米級(jí)，并可以批量生產(chǎn)，制造 出微型化、可靠性好且價(jià)格便宜的傳感器。微機(jī)電傳感器的優(yōu)良性能與 可靠性和它具有的優(yōu)越的性能價(jià)格比，將比傳統(tǒng)的傳感器擁有越來越大 的市場(chǎng)，微機(jī)電傳感器的產(chǎn)業(yè)化是傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。伴隨著傳感 器領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，新概念、新原理機(jī)載傳感器層出不窮，有力的 支撐了各種飛機(jī)的研制與發(fā)展

8、。目前，國(guó)外已在機(jī)載領(lǐng)域獲得應(yīng)用的新 型傳感器包括：嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)、硅諧振式壓力傳感器、硅微 陀螺、硅微加速度傳感器、超聲波式油量傳感器、光纖式溫度傳感器、 光纖陀螺、分布式柔性傳感器（自適應(yīng)微型結(jié)構(gòu)）、聲表面波加速度傳感器三、國(guó)內(nèi)機(jī)載傳感器的現(xiàn)狀與差距我國(guó)民用傳感器行業(yè)起始于上世紀(jì)五十年代初期，自1986年“七 五”開始，正式將傳感器技術(shù)列入國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，投入了以機(jī)械敏、 力敏、氣敏、濕敏、生物敏為主的五大敏感技術(shù)研究。特別是經(jīng)過近十 幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)格局。在新原理、新結(jié)構(gòu)、新 材料如光纖、激光、超聲、紅外、場(chǎng)發(fā)射、同位素、多普勒效應(yīng)、磁致 伸縮、無線和無源傳

9、感器技術(shù)及錯(cuò)、硅、砷化鎵、藍(lán)寶石、生物膜等材 料的采用方面，取得了比較顯著的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)部分單位均不同程度的具 有針對(duì)硅壓阻之類傳感器的微機(jī)械加工的能力，具有采用平面工藝、 MEMS工藝，從傳感器版圖設(shè)計(jì)、芯片制造到傳感器封裝的初具規(guī)模的 生產(chǎn)線。鑒于對(duì)機(jī)載傳感器的特殊要求（高可靠性和穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng) 快、抗電磁干擾和耐受電源波動(dòng)、突變的能力強(qiáng)、部份產(chǎn)品精度要求很 高等）以及要有適應(yīng)機(jī)載嚴(yán)酷環(huán)境條件的能力（工作溫度范圍寬、氣壓變 化范圍大、耐振動(dòng)、沖擊、過載、耐濕熱、鹽霧、霉菌等），許多在一般 工業(yè)領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用的傳感器技術(shù)不能直接應(yīng)用于機(jī)載領(lǐng)域，還必須 開展針對(duì)性的研究與開發(fā)，并通過相應(yīng)的測(cè)

10、試與驗(yàn)證。由于航空機(jī)載傳 感器應(yīng)用具有其特殊性，要求較高，自中國(guó)航空工業(yè)建立初始，各個(gè)機(jī) 載傳感器生產(chǎn)廠家就開展了航空機(jī)載傳感器的研制和生產(chǎn)，產(chǎn)品涉及大 氣飛行參數(shù)測(cè)量、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、環(huán)境防護(hù)救生系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，形成 了一定的格局， 并在很大程度上代表著我國(guó)航空傳感器的研制、生產(chǎn)和 質(zhì)量水平。經(jīng)過近五十年的發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，航空行業(yè)內(nèi)從事機(jī)載傳 感器生產(chǎn)的單位有三十多家，集團(tuán)行業(yè)外有十多個(gè)，分別歸屬電子、航天、兵器、機(jī)械等工業(yè)部門。總體上說是品種眾多、產(chǎn)量不高、出口 較少。型號(hào)牽引是我國(guó)機(jī)載傳感器技術(shù)所經(jīng)歷的基本發(fā)展模式，即隨著飛 機(jī)主機(jī)的發(fā)展和基本滿足裝機(jī)要求的基礎(chǔ)上，得到相應(yīng)的發(fā)展。目前

11、，絕 大部份機(jī)載傳感器產(chǎn)品相當(dāng)于國(guó)際上二十世紀(jì)五十年代至八十年代初期 水平。主流產(chǎn)品技術(shù)比較陳舊，傳感器測(cè)量精度、性能穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響 應(yīng)等關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)還處于中低擋水平，可靠性差。真正達(dá)到國(guó)際技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)并取得適航證的產(chǎn)品為數(shù)極少。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)載傳感器企業(yè)普遍缺乏獨(dú)立主動(dòng)的創(chuàng)新發(fā)展的能力， 從事機(jī)載傳感器技術(shù)研究的科技人員嚴(yán)重不足，對(duì)于關(guān)系到機(jī)載傳感器 的基礎(chǔ)性和前瞻性技術(shù)研究不夠。傳感器建模、仿真方面的工作剛剛起 步，動(dòng)態(tài)模擬的仿真設(shè)計(jì)手段不全，驗(yàn)證手段少，不能先期模擬飛機(jī)的 實(shí)際動(dòng)態(tài)特性對(duì)傳感器進(jìn)行綜合檢測(cè)，造成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)很 少，產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)。雖然包括我國(guó)部份高等院校在內(nèi)的機(jī)載

12、傳感器技 術(shù)研究隊(duì)伍取得了一些接近前沿性的科研成果，多數(shù)仍是對(duì)國(guó)外技術(shù)的 跟蹤發(fā)展，或是對(duì)型號(hào)項(xiàng)目技術(shù)問題的深入研究，具有獨(dú)立創(chuàng)新特色的 很少。目前，我國(guó)機(jī)載傳感器品種繁多、年產(chǎn)量小，但有多家企業(yè)生產(chǎn)同類 產(chǎn)品。如攻角、轉(zhuǎn)速、位移、姿態(tài)角、速率陀螺等都分別有5家以上 在進(jìn)行生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi)十分有限的市場(chǎng)空間里，這種低水平的重復(fù)，不僅分 散了人力、物力、財(cái)力，而且導(dǎo)致部分生產(chǎn)能力過剩、經(jīng)濟(jì)效益低下 以及激烈的無序競(jìng)爭(zhēng)，使企業(yè)沒有精力攻克技術(shù)關(guān)鍵、提高可靠性及發(fā) 展新技術(shù)、新產(chǎn)品。我國(guó)機(jī)載傳感器技術(shù)與國(guó)外的主要差距表現(xiàn)在以下 幾個(gè)方面，在研的各類傳感器的精度參差不齊，少數(shù)產(chǎn)品的精度指標(biāo)已經(jīng) 達(dá)到或接近