微機電系統(tǒng)技術(shù)在輪機工程中的應(yīng)用展望*

上海海事大學(xué) 李國祥 尹衍升

上海華潤大東船務(wù)工程有限公司 張擁軍

昆士蘭科技大學(xué) 閆 澄

一、微機電系統(tǒng)的特點及應(yīng)用

微機電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical System，MEMS）是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。圖1為利用MEMS技術(shù)制成的3D陀螺儀結(jié)構(gòu)圖片。[1]MEMS是隨著半導(dǎo)體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。微機電系統(tǒng)的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小范圍中日常的物理經(jīng)驗往往不適用。比如由于微機電系統(tǒng)的面積與體積比比一般的機械系統(tǒng)要大得多，其表面現(xiàn)象（如靜電、潤濕等）比體積現(xiàn)象（如慣性或熱容量等）重要。它們一般是由類似于生產(chǎn)半導(dǎo)體的技術(shù)如表面微加工、體型微加工等技術(shù)制造的。其中包括更改的硅加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、電火花加工等等。[2]

微機電系統(tǒng)的特點主要有：（1）和半導(dǎo)體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、調(diào)整；（2）進一步可以將機械可動部件、電子線路、傳感器等集成到一片硅板上；（3）占用空間小，可以在一般的機器人到不了的狹窄場所或條件惡劣的地方使用；（4）由于工作部件的質(zhì)量小，其高速運動的慣性也小；（5）由于尺寸很小，其熱膨脹等影響較小；（6）產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。

目前，微機電系統(tǒng)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）制成各種微型傳感器，包括微型力學(xué)傳感器、微型生物醫(yī)學(xué)傳感器、微型圖像傳感器以及化學(xué)傳感器；（2）制成各種微執(zhí)行器，如微馬達、微型閥、微型泵以及其他微致動機構(gòu)；（3）制成各種微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)，可細分為微構(gòu)件、微型機構(gòu)和微系統(tǒng)以及含有微器件的系統(tǒng)。[3]

圖1 MEMS微陀螺儀結(jié)構(gòu)

二、輪機工程的技術(shù)特點

船舶輪機工程是近百年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科領(lǐng)域。早期認為“輪機”就是船舶機械的一種簡稱，但如今已發(fā)展并分化出各個分支。一艘現(xiàn)代化船舶實際上已經(jīng)成了一個現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)成就的集合體，并涉及機械、電氣、電子、計算機及網(wǎng)絡(luò)通信等一系列技術(shù)的綜合運用。[4]因此，輪機工程這一概念其內(nèi)涵非常豐富，并在不斷擴大，可以說輪機工程是一項相當廣泛而綜合的系統(tǒng)工程。[5-6]概括而言現(xiàn)代輪機工程具有以下技術(shù)特點：

（1）輪機工程是傳統(tǒng)機械工程先進技術(shù)的集中體現(xiàn)。組成機艙設(shè)備的船舶主機及其他系統(tǒng)體現(xiàn)了當今世界機械領(lǐng)域的完美成果，它們涉及工程熱物理、熱能工程、流體機械及工程、制冷及低溫工程、化工等過程。其涉及的知識包括工程力學(xué)、流體力學(xué)、載運工具應(yīng)用工程、控制理論與控制工程、船舶工程、船舶推進理論與工程等。

（2）輪機工程是當今電氣工程技術(shù)的典型應(yīng)用空間。電氣工程是現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的核心學(xué)科之一，它的應(yīng)用理所當然地也進入到了輪機工程領(lǐng)域。雖然商用船舶主推進裝置到目前為止仍以內(nèi)燃機為主，但電力作為船舶輔助機械的動力，以及作為通信（包括計算機和網(wǎng)絡(luò)）和日常生活的能源仍是無法替代的主要形式。

（3）輪機工程是現(xiàn)代自動控制技術(shù)綜合應(yīng)用的重要場所。為了提高船舶機械及電氣設(shè)備的可靠性和減小輪機員的勞動強度，自動控制技術(shù)早在上世紀中葉就已經(jīng)應(yīng)用到了輪機工程領(lǐng)域。至目前為止，幾乎所有的輪機設(shè)備都可以找到自控技術(shù)的影子，可以說到了無孔不入的地步。

（4）輪機工程是高新技術(shù)如納米技術(shù)、微機電技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的新舞臺。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，越來越多的船舶設(shè)備與計算機和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了緊密的聯(lián)系。電噴柴油機的開發(fā)顯著改變了傳統(tǒng)柴油機的結(jié)構(gòu)和控制理念，微機的應(yīng)用使得對船舶設(shè)備的控制更加精確可靠和人性化，網(wǎng)絡(luò)的建立使得各設(shè)備的信息不再是孤獨的數(shù)據(jù)。納米技術(shù)、微機電技術(shù)也正逐漸在輪機工程中得到應(yīng)用。

可以說百年來輪機工程猶如一個能容納百川的技術(shù)海洋，人類技術(shù)的每一次巨大進步它都以博大的胸懷加以吸收利用。

三、MEMS在輪機工程中的應(yīng)用

目前MEMS技術(shù)主要作為微傳感器、微執(zhí)行器和微結(jié)構(gòu)、微系統(tǒng)而應(yīng)用于相關(guān)工程領(lǐng)域。根據(jù)MEMS技術(shù)的發(fā)展趨勢，我們預(yù)測其在輪機工程中至少可以應(yīng)用于以下幾個方面：

1.船舶液壓及流體系統(tǒng)的檢測和控制

微閥、泵、管道、噴嘴等都屬于微流體器件，是MEMS應(yīng)用于流體領(lǐng)域的開發(fā)熱點。將上述MEMS微流體器件和其他微型力學(xué)傳感器組合安裝于船舶液壓流體機械內(nèi)，則可以檢測流體的流速、壓力、溫度等參數(shù)，為系統(tǒng)的自動控制提供實時數(shù)據(jù)。另外，如果將MEMS微結(jié)構(gòu)安裝于液壓閥件內(nèi)的某個位置上，如液壓控制閥的閥芯上，就可以實時檢測液壓閥芯的位置，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以及時報警并指出故障所在的位置。[7]

2.船舶柴油機運行工況的實時檢測

利用微型力學(xué)傳感器，如利用具有無線遙測功能的MEMS應(yīng)變傳感器，將其布置于主機的曲軸、各軸承內(nèi)表面、活塞環(huán)本體上、高壓油泵、高壓油管內(nèi)以及噴油器內(nèi)，能實時將上述部件內(nèi)的工況發(fā)送給用戶，以使其及時了解柴油機內(nèi)諸運動件的各種物理參數(shù)（如速度、加速度、溫度、壓力、應(yīng)力、力矩以及振動參數(shù)等），以及磨損、材料疲勞等情況，提高柴油機運行的可靠性。

3.船舶自平衡系統(tǒng)及壓載水系統(tǒng)的控制

目前，已有利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的微加速度計和微陀螺儀系統(tǒng)應(yīng)用于汽車上。[8]圖2為已得到應(yīng)用的SD706陀螺儀隨時間變化的ALLAN方差值曲線，表1為幾種SD7系列陀螺儀性能比較表。[1]可見其測量范圍、感應(yīng)方位、誤差精度等各方面都不比普通電羅經(jīng)遜色。可以借鑒該技術(shù)應(yīng)用于船舶的自平衡系統(tǒng)（Heeling Pumping System）和壓載水系統(tǒng)（Ballasting System）。

4.水下船體表面狀況在線檢測

將MEMS微型力學(xué)傳感器的微小檢測膜貼于舵葉、螺旋槳以及船體表面等特定區(qū)域，可以在線檢測螺旋槳和船體所受應(yīng)力以及腐蝕、臟污的情況。

5.船舶邏輯控制設(shè)備提供控制模塊

可以利用MEMS系統(tǒng)的微執(zhí)行器、各種微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)為分油機、船舶輔鍋爐、船舶電站、空壓機以及其他各類電力設(shè)備的控制提供相應(yīng)的邏輯控制模塊。

6.為船舶計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供相應(yīng)的接口

MEMS技術(shù)可以在計算機網(wǎng)絡(luò)中充當光交換系統(tǒng)，這是一個與智能灰塵技術(shù)融合的技術(shù)。[2]這一技術(shù)一旦成熟，就可在所有計算機網(wǎng)絡(luò)上得到應(yīng)用，當然船舶計算機網(wǎng)絡(luò)也不例外。

圖2 SD706隨時間變化的ALLAN方差值

表1 陀螺儀傳感器動力學(xué)性能

7.為輪機設(shè)備的安裝、維護及保養(yǎng)提供特別幫助

微機器人是利用MEMS技術(shù)的高級形式，是集成了微傳感器、微執(zhí)行器、微機械元件和微控制技術(shù)的智能裝置，總體尺寸在毫米級，是微系統(tǒng)最典型的應(yīng)用。[9]輪機工程的維修保養(yǎng)及測量，有許多特殊場合人難以接近或者不能接近，以后就可以利用微機器人來完成。比如主機主軸承、連桿大小端軸承等這類需要循環(huán)檢驗的軸承（當然也可安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)），利用微機器人可以無須將各個軸承打開就可讓驗船師確認每個軸承的內(nèi)部情況，減少了船員的勞動強度和因拆裝造成的損害和安裝誤差。其他各種水泵的循環(huán)檢驗也可類似實現(xiàn)。還有像主機高壓油泵、噴油器等內(nèi)部小孔的清潔，都可以使用微機器人來完成。圖3為一種使用MEMS技術(shù)的醫(yī)療內(nèi)窺鏡，[10]該技術(shù)可以用于機械部件微小空間的內(nèi)部檢查。

圖3 MEMS醫(yī)療內(nèi)窺鏡

四、結(jié)論

上述七個方面MEMS技術(shù)在輪機工程領(lǐng)域的應(yīng)用是根據(jù)目前MEMS技術(shù)發(fā)展狀況而作的推測，相信隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展，其真正的應(yīng)用可能還會遠超本文中的預(yù)測。作為輪機工程領(lǐng)域的科技工作者，要緊跟MEMS技術(shù)發(fā)展的步伐，積極參與MEMS技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，力爭使我國的輪機工程技術(shù)早日走在世界前列。

[1]I-Micronews.Next generation of MEMS gyroscopes and inertial combo sensors from Sensor Dynamics[EB/OL].(2011-02-21)[2013-08-22].http://www.i-micronews.com/news/Generation-MEMSgyroscopes-inertial-combo-sensors-SensorDyn,6375.html.

[2]維庫電子通.微機電系統(tǒng)[EB/OL].(2013-05-21)[2013-08-22].http://wiki.dzsc.com/info/8546.html.

[3]王琪民,劉明候,秦豐華.微機電系統(tǒng)工程基礎(chǔ)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2010.

[4]MOHIT.What is Marine Engineering?Marine Insight[EB/OL].(2010-09-29)[2013-08-22].http://www.marineinsight.com/careers-2/whatis-marine-engineering.

[5]吳曉光,黃連中.輪機長業(yè)務(wù)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2008.

[6]詹玉龍,張興芝.輪機長業(yè)務(wù)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[7]高世橋,曲大成.微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報,2004(4):23-25.

[8]嚴宇才,張端.微機電系統(tǒng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2011(4):56-57.

[9]胡雪梅,呂俊霞.微機電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].機電設(shè)備,2005(6):46-48.

[10]SANTEC.What’s MEMS[EB/OL].(2013-09-29)[2013-10-08].http://www.santec.com/en/about/coretechnology/mems.