微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在輪機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的特點及應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical System，MEMS）是指可批量制作的，集微型機(jī)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(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的面積與體積比比一般的機(jī)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(jī)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(jìn)一步可以將機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(dá)、微型閥、微型泵以及其他微致動機(jī)構(gòu)；（3）制成各種微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)，可細(xì)分為微構(gòu)件、微型機(jī)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(jī)工程的技術(shù)特點

船舶輪機(jī)工程是近百年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科領(lǐng)域。早期認(rèn)為“輪機(jī)”就是船舶機(jī)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(jī)械、電氣、電子、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信等一系列技術(shù)的綜合運(yùn)用。[4]因此，輪機(jī)工程這一概念其內(nèi)涵非常豐富，并在不斷擴(kuò)大，可以說輪機(jī)工程是一項相當(dāng)廣泛而綜合的系統(tǒng)工程。[5-6]概括而言現(xiàn)代輪機(jī)工程具有以下技術(shù)特點：

（1）輪機(jī)工程是傳統(tǒng)機(jī)械工程先進(jìn)技術(shù)的集中體現(xiàn)。組成機(jī)艙設(shè)備的船舶主機(jī)及其他系統(tǒng)體現(xiàn)了當(dāng)今世界機(jī)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(jī)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(yùn)工具應(yīng)用工程、控制理論與控制工程、船舶工程、船舶推進(jìn)理論與工程等。

（2）輪機(jī)工程是當(dāng)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(dāng)然地也進(jìn)入到了輪機(jī)工程領(lǐng)域。雖然商用船舶主推進(jìn)裝置到目前為止仍以內(nèi)燃機(jī)為主，但電力作為船舶輔助機(jī)械的動力，以及作為通信（包括計算機(jī)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(jī)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(jī)械及電氣設(shè)備的可靠性和減小輪機(jī)員的勞動強(qiáng)度，自動控制技術(shù)早在上世紀(jì)中葉就已經(jīng)應(yīng)用到了輪機(jī)工程領(lǐng)域。至目前為止，幾乎所有的輪機(jī)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(jī)工程是高新技術(shù)如納米技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的新舞臺。隨著計算機(jī)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(jī)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了緊密的聯(lián)系。電噴柴油機(jī)的開發(fā)顯著改變了傳統(tǒng)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制理念，微機(jī)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(dú)的數(shù)據(jù)。納米技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)也正逐漸在輪機(jī)工程中得到應(yīng)用。

可以說百年來輪機(jī)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(jìn)步它都以博大的胸懷加以吸收利用。

三、MEMS在輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)內(nèi)諸運(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)、船舶輔鍋爐、船舶電站、空壓機(jī)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(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)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(jī)網(wǎng)絡(luò)上得到應(yīng)用，當(dāng)然船舶計算機(jī)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(jī)設(shè)備的安裝、維護(hù)及保養(yǎng)提供特別幫助

微機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人來完成。比如主機(jī)主軸承、連桿大小端軸承等這類需要循環(huán)檢驗的軸承（當(dāng)然也可安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)），利用微機(jī)器人可以無須將各個軸承打開就可讓驗船師確認(rèn)每個軸承的內(nèi)部情況，減少了船員的勞動強(qiáng)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(jī)高壓油泵、噴油器等內(nèi)部小孔的清潔，都可以使用微機(jī)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(jī)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(jī)工程領(lǐng)域的應(yīng)用是根據(jù)目前MEMS技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r而作的推測，相信隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其真正的應(yīng)用可能還會遠(yuǎn)超本文中的預(yù)測。作為輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yán)宇才,張端.微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].機(jī)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.