微机电系统技术在轮机工程中的应用展望*

上海海事大学 李国祥 尹衍升

上海华润大东船务工程有限公司 张拥军

昆士兰科技大学 闫 澄

一、微机电系统的特点及应用

微机电系统（Micro Electro-Mechanical System，MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。图1为利用MEMS技术制成的3D陀螺仪结构图片。[1]MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。微机电系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积与体积比比一般的机械系统要大得多，其表面现象（如静电、润湿等）比体积现象（如惯性或热容量等）重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。[2]

微机电系统的特点主要有：（1）和半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等制造工艺，不需要组装、调整；（2）进一步可以将机械可动部件、电子线路、传感器等集成到一片硅板上；（3）占用空间小，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；（4）由于工作部件的质量小，其高速运动的惯性也小；（5）由于尺寸很小，其热膨胀等影响较小；（6）产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。

目前，微机电系统的应用主要表现在以下几个方面：（1）制成各种微型传感器，包括微型力学传感器、微型生物医学传感器、微型图像传感器以及化学传感器；（2）制成各种微执行器，如微马达、微型阀、微型泵以及其他微致动机构；（3）制成各种微结构和微系统，可细分为微构件、微型机构和微系统以及含有微器件的系统。[3]

图1 MEMS微陀螺仪结构

二、轮机工程的技术特点

船舶轮机工程是近百年来发展起来的综合学科领域。早期认为“轮机”就是船舶机械的一种简称，但如今已发展并分化出各个分支。一艘现代化船舶实际上已经成了一个现代工业技术成就的集合体，并涉及机械、电气、电子、计算机及网络通信等一系列技术的综合运用。[4]因此，轮机工程这一概念其内涵非常丰富，并在不断扩大，可以说轮机工程是一项相当广泛而综合的系统工程。[5-6]概括而言现代轮机工程具有以下技术特点：

（1）轮机工程是传统机械工程先进技术的集中体现。组成机舱设备的船舶主机及其他系统体现了当今世界机械领域的完美成果，它们涉及工程热物理、热能工程、流体机械及工程、制冷及低温工程、化工等过程。其涉及的知识包括工程力学、流体力学、载运工具应用工程、控制理论与控制工程、船舶工程、船舶推进理论与工程等。

（2）轮机工程是当今电气工程技术的典型应用空间。电气工程是现代科技领域中的核心学科之一，它的应用理所当然地也进入到了轮机工程领域。虽然商用船舶主推进装置到目前为止仍以内燃机为主，但电力作为船舶辅助机械的动力，以及作为通信（包括计算机和网络）和日常生活的能源仍是无法替代的主要形式。

（3）轮机工程是现代自动控制技术综合应用的重要场所。为了提高船舶机械及电气设备的可靠性和减小轮机员的劳动强度，自动控制技术早在上世纪中叶就已经应用到了轮机工程领域。至目前为止，几乎所有的轮机设备都可以找到自控技术的影子，可以说到了无孔不入的地步。

（4）轮机工程是高新技术如纳米技术、微机电技术及计算机网络技术应用的新舞台。随着计算机及网络技术的日益成熟，越来越多的船舶设备与计算机和网络产生了紧密的联系。电喷柴油机的开发显著改变了传统柴油机的结构和控制理念，微机的应用使得对船舶设备的控制更加精确可靠和人性化，网络的建立使得各设备的信息不再是孤独的数据。纳米技术、微机电技术也正逐渐在轮机工程中得到应用。

可以说百年来轮机工程犹如一个能容纳百川的技术海洋，人类技术的每一次巨大进步它都以博大的胸怀加以吸收利用。

三、MEMS在轮机工程中的应用

目前MEMS技术主要作为微传感器、微执行器和微结构、微系统而应用于相关工程领域。根据MEMS技术的发展趋势，我们预测其在轮机工程中至少可以应用于以下几个方面：

1.船舶液压及流体系统的检测和控制

微阀、泵、管道、喷嘴等都属于微流体器件，是MEMS应用于流体领域的开发热点。将上述MEMS微流体器件和其他微型力学传感器组合安装于船舶液压流体机械内，则可以检测流体的流速、压力、温度等参数，为系统的自动控制提供实时数据。另外，如果将MEMS微结构安装于液压阀件内的某个位置上，如液压控制阀的阀芯上，就可以实时检测液压阀芯的位置，使系统出现故障时可以及时报警并指出故障所在的位置。[7]

2.船舶柴油机运行工况的实时检测

利用微型力学传感器，如利用具有无线遥测功能的MEMS应变传感器，将其布置于主机的曲轴、各轴承内表面、活塞环本体上、高压油泵、高压油管内以及喷油器内，能实时将上述部件内的工况发送给用户，以使其及时了解柴油机内诸运动件的各种物理参数（如速度、加速度、温度、压力、应力、力矩以及振动参数等），以及磨损、材料疲劳等情况，提高柴油机运行的可靠性。

3.船舶自平衡系统及压载水系统的控制

目前，已有利用MEMS技术生产的微加速度计和微陀螺仪系统应用于汽车上。[8]图2为已得到应用的SD706陀螺仪随时间变化的ALLAN方差值曲线，表1为几种SD7系列陀螺仪性能比较表。[1]可见其测量范围、感应方位、误差精度等各方面都不比普通电罗经逊色。可以借鉴该技术应用于船舶的自平衡系统（Heeling Pumping System）和压载水系统（Ballasting System）。

4.水下船体表面状况在线检测

将MEMS微型力学传感器的微小检测膜贴于舵叶、螺旋桨以及船体表面等特定区域，可以在线检测螺旋桨和船体所受应力以及腐蚀、脏污的情况。

5.船舶逻辑控制设备提供控制模块

可以利用MEMS系统的微执行器、各种微结构和微系统为分油机、船舶辅锅炉、船舶电站、空压机以及其他各类电力设备的控制提供相应的逻辑控制模块。

6.为船舶计算机及网络技术提供相应的接口

MEMS技术可以在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术融合的技术。[2]这一技术一旦成熟，就可在所有计算机网络上得到应用，当然船舶计算机网络也不例外。

图2 SD706随时间变化的ALLAN方差值

表1 陀螺仪传感器动力学性能

7.为轮机设备的安装、维护及保养提供特别帮助

微机器人是利用MEMS技术的高级形式，是集成了微传感器、微执行器、微机械元件和微控制技术的智能装置，总体尺寸在毫米级，是微系统最典型的应用。[9]轮机工程的维修保养及测量，有许多特殊场合人难以接近或者不能接近，以后就可以利用微机器人来完成。比如主机主轴承、连杆大小端轴承等这类需要循环检验的轴承（当然也可安装在线监测系统），利用微机器人可以无须将各个轴承打开就可让验船师确认每个轴承的内部情况，减少了船员的劳动强度和因拆装造成的损害和安装误差。其他各种水泵的循环检验也可类似实现。还有像主机高压油泵、喷油器等内部小孔的清洁，都可以使用微机器人来完成。图3为一种使用MEMS技术的医疗内窥镜，[10]该技术可以用于机械部件微小空间的内部检查。

图3 MEMS医疗内窥镜

四、结论

上述七个方面MEMS技术在轮机工程领域的应用是根据目前MEMS技术发展状况而作的推测，相信随着MEMS技术的进一步发展，其真正的应用可能还会远超本文中的预测。作为轮机工程领域的科技工作者，要紧跟MEMS技术发展的步伐，积极参与MEMS技术的开发应用，力争使我国的轮机工程技术早日走在世界前列。

[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]维库电子通.微机电系统[EB/OL].(2013-05-21)[2013-08-22].http://wiki.dzsc.com/info/8546.html.

[3]王琪民,刘明候,秦丰华.微机电系统工程基础[M].北京:中国科学技术大学出版社,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]吴晓光,黄连中.轮机长业务[M].大连:大连海事大学出版社,2008.

[6]詹玉龙,张兴芝.轮机长业务[M].北京:人民交通出版社,2008.

[7]高世桥,曲大成.微机电系统(MEMS)技术的研究与应用[J].科技导报,2004(4):23-25.

[8]严宇才,张端.微机电系统技术的研究现状和展望[J].电子工业专用设备,2011(4):56-57.

[9]胡雪梅,吕俊霞.微机电系统的发展现状和应用[J].机电设备,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.