MEMS技术在军工和民生的应用及发展趋势
2011-08-01 13:12:00   来源：微迷   评论：0   点击：

引言

MEMS是20世纪80年代末在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一种新兴技术，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究设计制造具有特定功能的微型装置。它结合了机械可动结构和大规模、低成本、微电子加工的优点，在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁等信号的相互作用。MEMS通常指特征尺度大于1nm小于1μm，结合电子和机械部件并集成了IC工艺的装置。MEMS在航空、航天、军事、汽车、生物医学、环境监控等人们所接触到的几乎所有领域都有十分广阔的应用前景，它是未来国防领域及国民生活领域的关键技术和支撑技术。

MEMS的突出特点有：

1．微型化：MEMS硬件不仅体积小而且重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高。

2．以硅为主要材料，机械电器性能较好；硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导接近钨。

3．多样化：MEMS含有数字和总线接口，具有在网络中应用的条件，便于与PC系统集成。

4．集成化：可以把不同功能，不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成在一起，或形成微传感器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5．多学科交叉：MEMS技术集成了电子信息，机械制造，材料与自动控制，物理，化学等诸多学科，并应用了当今许多高科技成果。

MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，MEMS工艺已经应用于军民生活中。本文就它在国防和民用领域的应用作一介绍，并分析它未来的发展前景。

一、MEMS技术在军事设备中的应用状况

众所周知，最尖端的科技总是先应用于国防，MEMS也一样，军事领域是它应用最早的领域之一。这很大程度上推动了MEMS技术的飞速发展。当前，MEMS技术在军事上的应用被世界各个国家所重视。美国国防部高级研究计划局（DARPA）把MEMS技术确认为美国急需发展的新兴技术，并资助了大量MEMS项目，大力发展小型惯性测量装置、微全分析系统、RF传感器、网格传感器、无人值守传感器等项目，应用于单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测、武器安全、保险和引信、弹道修正、子母弹开仓控制、超低功率无线通信信号处理、高密度低功耗的数据存储器件、敌我识别系统等方面。MEMS在军用设备中的应用日渐广泛和深入。

1.1 MEMS技术对武器平台的优化

在海上武器应用方面，MEMS引信保险和引爆装置已成功用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信保险和引爆装置的工作包括三个独立步骤:发射鱼雷后解除炸药保险，引爆（引信）和防止在不正确的时间爆炸（保险）。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术，MEMS引爆装置要比传统装置小一个数量级，可安装在6.25英寸的鱼雷上，这是其他技术很难办到的。

在陆地应用方面，包括灵活而且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS加速度计能承受火炮发射时产生接近10.5g的冲击力，可以为制导导弹提供一种经济的制导系统，同时使导弹的可靠性及服务时间提高5倍~10倍，哑弹的数量减少一个数量级。MEMS惯性传感器用于灵巧弹头和钻地弹头中，其抗震能力足以使其能够做到弹头钻入地下后，仍能对其进行制导、控制并引爆。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲送兵车的轮胎中。

在空气应用方面，采用MEMS传感器和致动器可实现对流体的精确控制，例如对喷气引擎的紊流控制。长期以来，紊流对航天一直是个技术问题。发动机中紊流降低了轴流速度，从而使推力减小，机翼上的紊流造成飞行拖滞。有了MEMS技术以后，使得在微观尺度上对流体进行控制成为可能。其原理就是在特征面上布置微传感器阵列，探测流体压力和温度的微小变化，然后通过控制器让微致动器阵列准确地抵消这些微小变化。当然同样的方法也可以完全应用在飞机或导弹蒙皮上，形成“智能蒙皮”。从而提高飞行速度和稳定性。MEMS技术还使智能可重构外形的机翼和空间柔性结构成为可能。

1.2 射频元器件的应用

射频介于100kHz至100MHz，但通常指的是100kHz到300GHz的射频、微波和毫米波的频率范围。在射频应用中，MEMS的研究目标为实现集成在单芯片上的射频系统。现基于MEMS开关、滤波器、可变电容、电感器等射频元件已取得实质性进展，将应用在相控阵雷达中。

射频MEMS开关的隔离度好，插入损耗低，控制电路功耗低，工作频带宽，研制集中在提高开关速度与降低开关的驱动电压以及材料、结构、封装上。已研制出悬臂梁、桥式、记忆合金等MEMS开关，大多数采用静电驱动原理，其优势为功耗低，与芯片兼容性好。其广泛应用于相控阵雷达和变波束天线中，开发可变频率、多波束特性的的天线，一个天线实现多个天线的功能。

1.3 基于MEMS技术的军用微型飞行器

微型飞行器（Micro Aerial Vehicle，MAV）的概念是由美国于20世纪90年代最先提出，由于其具有特殊的用途而备受关注。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS技术支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器具有导航和通信能力，可用手掷、炮射或飞机部署，具有侦查呈像、电磁干扰等作战效能，被认为是未来战场上的重要侦查和攻击武器，具有价格低廉，便于携带＼操作简单＼安全性好等优点。

1.4 基于MEMS技术的军用微纳卫星

微纳卫星通常指质量小于100kg，具有实际使用功能的卫星。它是基于微电子技术、MEMS技术、微光电技术等发展起来的，体现了航天器微小化的发展趋势。根据卫星质量，10kg~100kg的卫星称为微型卫星（microsat），1kg~10kg的卫星称为纳米卫星（nanasat），0.1kg~1kg的称为皮卫星（picosat），0.1kg以下的称为飞卫星（femtosat），微纳型卫星具有功能密度与技术性能高、投资与运营成本低、灵活性强、系统建设周期短、风险小等优点，受到航天、军事、工业以及研究机构的广泛关注，成为各国军方都非常重视的航天技术发展方向之一。

国防是国家稳定发展的基石，而国防更需要高科技力量的保证。我国在MEMS方面的研究起步并不晚，在“八五”、“九五”期间得到科技部中科院和国防科工委的支持，经过十年的努力，我国在MEMS技术上有了一定基础和技术储备，并且应用于军事上已数见不鲜。

二、MEMS在民用方面的应用情况

2.1 用RF-MEMS实现可调谐天线

现如今的移动终端日新月异，对于天线的设计越来越标新立异而且更加复杂，这无疑需要灵活的MEMS技术来满足集成新特性和新应用的要求。

电视接收等新应用新特性被不断集成到无线期间中。此外，无线技术，包括局域网、宽带无线接入、数字电视、全球定位系统、超宽带和多重输入多重输出等，都有望改善性能、扩展频段范围和增强吞吐量，但同时也对所需天线的成本、尺寸和性能提出更高要求。

针对这些挑战的一种有吸引力的解决方案是使天线变得动态可调谐。这时射频微机电系统（RF－MEMS）应运而生。它能够为设计者提供制造可调天线所需的主要组件，并能发展MEMS的大多数优点。

其实MEMS早在1970年就在汽车产业作为压力传感器。后来汽车产业将MEMS用作碰撞安全气囊的加速度传感器。而今天，基于MEMS的器件已经在宽屏电视、移动电话麦克风和GPS工具中找到用武之地。

对于RF应用而言，MEMS器件非常有希望用作现有方案的小尺寸、高性能替代选择，并降低材料成本，而且还是实现更密集功能集成的一种途径。不断成长的移动电话市场与不断演化的多频带多模态电话问题一起，已经使多功能无线器件设计者对用MEMS来解决他们所面临的严重问题产生浓厚的兴趣。

RF-MEMS天线技术通常将离散的固定天线调谐用于移动终端中，从而使给定天线适合每个移动电话平台，但是对于所有直接耦合到天线上元件而言滤波器来清理发送信号或防止接受信号被发送信号调制。

通常使用数字选择方式的MEMS电容器件，MEMS数字可调IC提供了一种替代变容二极管的高性能选择。这些可调节电容器的制造开始于两个金属板，其中一个在硅芯片表面，通过改变两个金属板间距可以调节它们之间的电容，而利用外加静电场的吸引力以使悬浮的金属板上下移动，则可以很精确地改变电容大小，这些电容元件的阵列组成调谐矩阵，可以用来很精确控制电容系统。实际上，对变容二极管进行精确的数字近似已经成为可能，而且还具有近乎完美的线性度和比传统模拟解决方案更宽的解决范围。天线调谐器件的一种应用方法是采用一个谐振或阻抗可调（RLC）电路，以使可变电容能够调节功率放大器和天线之间的复杂阻抗。RF-MEMS的开发人员正在积极证明基于MEMS的可调IC将变成移动电话的主要组件。可调天线器件正是它的关键应用。RF-MEMS产品有望为移动电话设计方式带来巨大变化。利用RF-MEMS技术能够生产出小尺寸、低成本、高性能的可调RFIC，它可以实现多种功能，包括高功率的可调放大器、可调滤波器和智能天线等。

2.2 MEMS技术用于制作平板电视

CRT监视器的时代早已经过去，LED、LCD、PDP的时代已经到来。后者都有一个普遍特点：超薄。这就是平板显示器和平板电视的共同特点。由于笔记本电脑的大量普及以及公共场所大型屏幕的日渐增多，平板技术发展得如火如荼。同时，MEMS技术在平板技术中同样也有一席之地。

据悉，Hitachi Displays公司最近在日本CEATEC展会上公布了新的显示屏技术MEMS，展示了一款2.5英寸320×240分辨率的原型产品，它集合了TFT技术和MEMS数字微快门技术，提供更高的显示效率和较小的能源消耗，功耗约为传统液晶显示器的一半并拥有更宽的色域，不仅如此，新科技还淘汰了一些成本较高的液晶显示器所需材料和部件，包括彩色滤光片，偏光片等。预计新产品显示器可能在2012年年初上市。

MEMS技术应用在民用上远不止这些，由于笔者认识有限，不能一一列举。科学技术是第一生产力。MEMS技术具有很高的发展潜力，民用中的广泛推广将极大带动国民经济的发展。在社会主义市场经济的今天，MEMS技术是刺激我国经济发展的关键技术之一。

三、MEMS技术在未来的发展趋势

MEMS技术涉及技术很广，在未来发展中会和其他学科门类结合得更紧密。

3.1 生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。

3.2 MEMS技术可使开发就地配置的光配件成为可能。用于光网络的MEMS动态元件包括可调的激光器和滤波器、动态增益均衡器以及光交叉连接器。才外MEMS技术已经在光交换应用中进入现场试验阶段，基于MEMS的光交换机已经能够传递实际的业务数据流，全光MEMS光交换机也正在步入商用阶段。

3.3 在无线通信终端领域，对微型化、高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各种功能单元集成在一个单一芯片上，即实现SOC（System On a Chip），而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器、滤波器和耦合器等片外分立元件大量存在。MEMS技术不仅可以克服这些障碍，而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能。

结束语

MEMS技术发展史并不悠久，但它集百家之所长于一身，不仅能完成许多传统器件能完成的工作，而且在效能上远远优于传统器件。军事工业的应用数见不鲜，民用方面也日渐增多。它是国防事业及国民经济快速发展所依赖的关键技术。在今后的十五年之内，它会引起一场元器件的更新换代。今后，此项技术会遍布我们身边的每一个角落，它会更好地为人类服务。