航天微系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用概述

孫海欽，李金，吳振廣，朱英瑋，閔康磊

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

微系統(tǒng)的概念誕生于二十世紀(jì)八十年代，由德國(guó)MBB公司首次提出，并快速成為科技發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，甚至被認(rèn)為是決定未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。微系統(tǒng)技術(shù)是指通過(guò)采用異構(gòu)/異質(zhì)三維集成的形式，將微電子、微機(jī)電和微光電技術(shù)等融合在一起，通過(guò)智能化算法和架構(gòu)技術(shù)構(gòu)成一體化軟、硬件多功能集成的微型系統(tǒng)。微系統(tǒng)具有高度集成化、小型化和智能化的特點(diǎn)，解決了電子系統(tǒng)電路中接口部分成本與尺寸均遠(yuǎn)大于電路部分的矛盾，快速在智慧醫(yī)療、航空、消費(fèi)電子、智慧物流、汽車(chē)化工、機(jī)器制造、精密機(jī)械等領(lǐng)域取得重大成就。但是微系統(tǒng)技術(shù)在航天的應(yīng)用仍然面臨著可靠安全的巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)微系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)多、研發(fā)成本高，也注定了其不可能由一家單位、一個(gè)企業(yè)單獨(dú)研發(fā)。同時(shí)應(yīng)用于航天領(lǐng)域的微系統(tǒng)技術(shù)也需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、研制過(guò)程保證、系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、抗輻射特性和復(fù)雜空間環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證等方面進(jìn)行多方面考核[2-3]。如何針對(duì)航天應(yīng)用的要求，將微系統(tǒng)技術(shù)航天化是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 微系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介

微系統(tǒng)技術(shù)的誕生得益于微電子技術(shù)和為機(jī)械技術(shù)的迅速發(fā)展。上世紀(jì)六十年代以來(lái)，微電子技術(shù)的發(fā)展使集成電路芯片的尺度不斷變小，同時(shí)硅加工技術(shù)的不斷成熟催生了宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)的微米尺度樣機(jī)，迅速在微小型機(jī)械制造領(lǐng)域掀起一股熱潮。七十年代，美國(guó)Kulite壓力傳感器公司利用硅的各向異性腐蝕，采用微機(jī)械加工技術(shù)制得尺寸小至幾百微米，厚度薄至幾微米的硅膜，使得壓力傳感器的產(chǎn)量和質(zhì)量答復(fù)提高，同時(shí)降低成本。八十年代，科學(xué)家們正式提出了微機(jī)械執(zhí)行器的概念，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校成功研制了基于硅微加工工藝的靜電馬達(dá)轟動(dòng)了國(guó)際科學(xué)界，并激勵(lì)人們不斷地追求越來(lái)越小的、越來(lái)越完善的微小尺度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1989年，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)更是肯定了微機(jī)械加工以微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System, MEMS)為目標(biāo)的研究方向，并投入巨款進(jìn)行研發(fā)，極大地促進(jìn)了微系統(tǒng)的發(fā)展[4]。

實(shí)際上，當(dāng)時(shí)所描述的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）更加偏向于微機(jī)械，并不完全等同于現(xiàn)在的微系統(tǒng)。MEMS通常包含一個(gè)傳感或致動(dòng)元件和一個(gè)信號(hào)傳輸單元作為其核心構(gòu)件，主要為各種微傳感器，而微系統(tǒng)是一個(gè)包含MEMS器件，面向完成特定工程任務(wù)而設(shè)計(jì)的工程系統(tǒng)。大多數(shù)微系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和構(gòu)造成單一的功能，并且工業(yè)上趨向于將信號(hào)處理和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)結(jié)合在為系統(tǒng)內(nèi)，使系統(tǒng)智能化。這種具有微型致動(dòng)結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)是當(dāng)前以及未來(lái)微系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是微型和航天器工程所急需的，可以滿足對(duì)高精度和有效載荷的關(guān)注，其在運(yùn)動(dòng)和尺寸穩(wěn)定性方面的高精確度也使得他們尤其適合遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。

2 微系統(tǒng)與微電子

部分觀點(diǎn)認(rèn)為，航天微系統(tǒng)技術(shù)包括專(zhuān)用集成電路（ASIC）、片上系統(tǒng)（SoC）、單片微波集成電路（MMI）、混合集成電路（HIC）等微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）[5]。由于國(guó)內(nèi)航天微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚不成熟、與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距等因素，微電子技術(shù)仍然是我國(guó)航空航天領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)話題。但是微系統(tǒng)技術(shù)是微電子技術(shù)的進(jìn)一步延伸，是涉及自然科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科交叉的納米科技前沿領(lǐng)域，在微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和封裝中主要涉及機(jī)械工程原理、電子工程、化學(xué)工程、材料工程和工業(yè)工程五個(gè)工程原理。

相對(duì)微電子技術(shù)，微系統(tǒng)技術(shù)具有以下顯著差異：

（1）除硅材料以外，微系統(tǒng)還可能包括石英、GaAs、玻璃、塑料或者金屬等材料；

（2）微系統(tǒng)設(shè)計(jì)面向大量的各種各樣的功能，生物、化學(xué)、機(jī)電和光學(xué)等，而不是單純的電子功能；

（3）微系統(tǒng)包含復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，需要機(jī)械工程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)；

（4）微系統(tǒng)中的敏感元件和一些核心元件需要與工作介質(zhì)接觸，收集信息，這使得微系統(tǒng)與微電子技術(shù)的封裝技術(shù)存在很大差距；

（5）大多數(shù)為系統(tǒng)會(huì)包括可動(dòng)部分，如微型閥、微型泵、微型齒輪、微型夾鉗等；

（6）微系統(tǒng)的制造和封裝尚沒(méi)有統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其制造技術(shù)主要為體硅微制造、表面微制造和LIGA技術(shù)、EFAB技術(shù)、CELT技術(shù)等。

微系統(tǒng)技術(shù)與微電子技術(shù)的不同同樣是微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展中的重難點(diǎn)，在我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展不夠成熟，與國(guó)外具有較大差距的情況下，發(fā)展微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造，在架構(gòu)、微電子、MEMS、光電子和軟件五大技術(shù)要素上取得突破性進(jìn)展，需要全國(guó)科學(xué)工作者的不懈努力與奮斗。

3 微系統(tǒng)的典型應(yīng)用

微系統(tǒng)自產(chǎn)生后，市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)展，在汽車(chē)、消費(fèi)電子、電信、生物醫(yī)學(xué)和航天工業(yè)中取得廣泛的應(yīng)用。

3.1 微系統(tǒng)在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用

由于汽車(chē)包含眾多的傳感器和制動(dòng)器，在智能汽車(chē)和自動(dòng)駕駛提出后，微系統(tǒng)使得汽車(chē)制造商可以使用更小、更多的器件，汽車(chē)系統(tǒng)也變得更為智能，舒適與安全[7]。

典型的，如汽車(chē)防抱死系統(tǒng)采用的微加速度計(jì)或微慣性傳感器，汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)采用的位置傳感器以及懸掛系統(tǒng)采用的位移、位置和壓力傳感器、微型閥等。微系統(tǒng)的應(yīng)用使得汽車(chē)可以更加智能的感知道路交通環(huán)境，進(jìn)而控制汽車(chē)做出反應(yīng)，防止事故的發(fā)生。MEMS陀螺儀的發(fā)展，則使汽車(chē)的慣性測(cè)量系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。慣性測(cè)量系統(tǒng)將微電子、精密機(jī)械、傳感器技術(shù)相互融合，具有集成度更高、性?xún)r(jià)比更好、體積更小、功耗更低等特點(diǎn)，且由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，并有很高的性?xún)r(jià)比。慣性測(cè)量系統(tǒng)提供的對(duì)汽車(chē)行為、運(yùn)行狀態(tài)、駕駛行為的測(cè)量信息可以用于汽車(chē)的輔助控制，如自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)保持車(chē)距等，亦可以用作汽車(chē)的自動(dòng)駕駛或者無(wú)人駕駛系統(tǒng)。

據(jù)報(bào)道，德國(guó)德累斯頓弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所正著手開(kāi)發(fā)MEMS微鏡掃描眼來(lái)賦予自動(dòng)駕駛汽車(chē)3D視覺(jué)。含有微型可動(dòng)元件的MEMS微鏡意在向汽車(chē)提供更加可靠、穩(wěn)定的，高精度的環(huán)境深度信息，以支持更加安全的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

3.2 微系統(tǒng)在航天工業(yè)的應(yīng)用

微系統(tǒng)技術(shù)在航天工業(yè)的應(yīng)用有很多可以借鑒汽車(chē)工業(yè)的方面。運(yùn)行于空間軌道的衛(wèi)星同樣需要微陀螺儀等用于導(dǎo)航和穩(wěn)定控制的慣性測(cè)量系統(tǒng)，需要用于檢測(cè)微型自身狀態(tài)并在故障產(chǎn)生時(shí)可作出一定反應(yīng)的微傳感器和微致動(dòng)器。早在1999年，Helvajian和Janson就曾預(yù)測(cè)微系統(tǒng)在航天工業(yè)中可能的應(yīng)用，徐泰然先生對(duì)此進(jìn)行匯總[7-9]:

（1）包含可以抗輻射及對(duì)溫度不敏感的數(shù)字邏輯電路和用于鎖定及復(fù)位的芯片上的熱控開(kāi)關(guān)的微機(jī)電一體化的指令控制系統(tǒng)。

（2）包含微陀螺儀、加速度計(jì)和光纖陀螺的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

（3）包含微型太陽(yáng)和地球傳感器、磁強(qiáng)計(jì)和推進(jìn)器的空間姿態(tài)測(cè)定和控制系統(tǒng)。

（4）包括微機(jī)電一體化阻塞二極管、用于主動(dòng)太陽(yáng)電池陣列重構(gòu)的開(kāi)關(guān),以及發(fā)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。

（5）包括微型壓力傳感器、用于泄露監(jiān)測(cè)的化學(xué)傳感器、單缸推進(jìn)器陣列、連續(xù)微推進(jìn)器和脈沖微推進(jìn)器的推進(jìn)系統(tǒng)。

（6）包括微熱管、散熱器和熱控開(kāi)關(guān)的熱控制系統(tǒng)。

（7）包括極高帶寬、低電阻射頻開(kāi)關(guān)、用于激光通信的微鏡片和光學(xué)系統(tǒng), 以及微可變電容、電導(dǎo)和諧振器的通信和雷達(dá)系統(tǒng)。

（8）包括微磁強(qiáng)計(jì)和重力梯度監(jiān)視器(納 g 加速度計(jì)) 的空間環(huán)境傳感器。

我國(guó)航天微系統(tǒng)的發(fā)展也較為迅速，航天科工微系統(tǒng)技術(shù)有限公司融入融合姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、圓錐掃描峰值跟蹤、載體姿態(tài)解算、補(bǔ)償算法及相控陣通信等多項(xiàng)業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)的衛(wèi)星通信天線在民用領(lǐng)域已取得一定成果。運(yùn)用微系統(tǒng)技術(shù)，具有體積小、重量輕、成本低、研制周期短、發(fā)射方式快速靈活等優(yōu)點(diǎn)的微納衛(wèi)星也逐步走上歷史的舞臺(tái)[1-2,5]。可以預(yù)見(jiàn)的是，搭載有智能系統(tǒng)的微系統(tǒng)部件再給衛(wèi)星提供精確的環(huán)境探測(cè)信息之外，還可以用于衛(wèi)星故障緊急自救，衛(wèi)星自我控制與調(diào)整等功能。

除此之外，航天微系統(tǒng)的應(yīng)用并不僅限于衛(wèi)星自身。歐洲空間局計(jì)劃發(fā)射的“清道夫”、美國(guó)DARPA計(jì)劃研制的太空機(jī)器人等機(jī)器人以及自身尺寸極小的微型機(jī)器人和納米機(jī)器人都將在太空史和微系統(tǒng)發(fā)展史上留下濃重墨彩的一筆。

4 結(jié)語(yǔ)

微系統(tǒng)技術(shù)是具有極強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的技術(shù)，必將在航天領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。在微電子技術(shù)持續(xù)發(fā)展，集成接口和電子電路將空間設(shè)備的運(yùn)算能力大幅提升，尺寸大幅減少的情況下，微系統(tǒng)技術(shù)的加入必將使其具有更加靈活的架構(gòu)，更加智能化的控制操作系統(tǒng)與任務(wù)系統(tǒng)。世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)投入微系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上，我國(guó)應(yīng)在微系統(tǒng)技術(shù)的設(shè)計(jì)、研制與應(yīng)用上根據(jù)國(guó)情妥善布局，搶占科技高地，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自主化。