微电子机械系统(MEMS)技术在军工和民生的应用及发展前景

微电子机械系统（MEMS）技术在军工和民生的应用及发展趋势

引言

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称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。微电子机械系统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。

1.1MEMS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