微机电系统

微机电系统

MEMS在微纳卫星中的应用与发展趋势

1. MEMS介绍

微机电系统(MEMS)是多种学科交叉融合并具有战略意义的前沿高新技术，是未来的主导产业之一。MEMS技术特点可由3个M概括：小尺寸(miniaturization)、多样化(multiplicity)、微电子(micro electronics)。MEMS技术的出现开辟了技术的一个全新领域和产业，它具有许多传统传感器无法比拟的优点，在航空、航天、汽车、军事等众多领域中都有着十分广阔的应用前景，MEMS 技术将成为提高军事能力的重要技术途径[1]。

1.1MEMS技术

1988 年美国加州大学伯克利分校的Tai 等[2；3]成功地用微电子平面加工技术研制出了直径仅有100 微米左右硅微机械马达，使人们看到了将可动机械结构与电路集成在一个芯片内，构成完整的微型机电系统的可能。微机电系统-MEMS (micro electro mechanical systems) 的概念应运而生，并迅速成为国际上研究的热点。1993 年，美国ADI 公司采用该技术地将微型可动结构与大规模电路集成在单芯片内[4]，形成用于汽车防撞气囊控制的微型加速度计，MEMS 技术的特点和优势真正地体现了出来[5]。

微机电系统是指微型的器件或器件组合，是一个把电子功能与机械和光学或其他功能相结合的综合集成系统。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。它是在融合多种微细加工技术，并应用微电子技术和最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合．实现了微电子与机械融为一体的系统。人们还把微机械、微结构、智能传感器归入MEMS范畴。MEMS在不同的国家其名称也有所不同，在日本称为微机械(Micro machine) [6]，在欧洲称为微系统技术MST(Micro systems Technology)，在英国称微工程(Micro—engineering)。

现在微机电系统已经远远超越了“机” 和“电”的概念，将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他一些微加工工艺制造在芯片

上，并通过与电路的集成甚至相互间的集成来构筑复杂微型系统。所以，更准确地说，今天的MEMS 包括感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和控制外界信息的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。

1.2MEMS技术分类

(1)传感MEMS技术

传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件来感受转换电信号的器件和系统，包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器。目前，传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。

(2)光学MEMS技术

综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统，具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。

(3)射频MEMS技术

射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器；可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容[7]。

1.3MEMS特点

MEMS的基本特点：

（1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

（2）以硅为主要材料，机械电气性能优良。

（3）用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造成百上千个MEMS，批量生产可大大降低生产成本。

（4）集成化性能优越，能在极小的空间里实现多种功能。

（5）多学科交叉，涉及电子、机械、材料、制造、自动控制等学科。

2. 小卫星与MEMS卫星

2.1 小卫星概念

进入21世纪后，随着航天技术的发展，现代小卫星逐渐呈现轻量化、小型化、低成本以及高功能密度和性价比等优势，小卫星已成为空间系统的重要组成部分。在过去十几年中，小卫星技术迅猛发展，小卫星逐渐从探索、试验阶段转入业务化、装备化运营阶段，并在遥感、通信、导航及空间科学等诸多领域得到了广泛应用。

国外通常把质量在500kg以下的卫星定义为小卫星。考虑到我国卫星技术发展现状，目前我国把质量在1000kg以下的卫星定义为小卫星[8]。

皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统（MEMS）技术为基础的小卫星。其中纳卫星一般指质量在10kg以下的小卫星，皮卫星一般是指1kg以下的小卫星。皮纳卫星具有成本低、研制周期短、发射灵活等突出优点，能通过组成星座、编队或卫星群完成单科大卫星难以实现的任务，在研发和应用上具备一定的优势[9]。

质量在1kg以下的卫星统称为甚小型卫星（very small satellite），主要包括皮卫星、飞卫星，起源于科学或学术研究，追求性价比，注重验证、发展和提升技术。甚小型卫星能借助电子产业大规模工业生产的基础和构架，以尽可能小的质量、体积和可批量化生产的方式实现任务需求。随着新技术、新材料、新工艺的不断出现，未来将有更多数量的甚小型卫星得到更广泛的应用[10]。

目前，芯片卫星正处于研究试验阶段，还未实现单个芯片级集成，普遍利用印刷电路板上集成航天器全部功能。芯片卫星质量一般在0.01kg一下，属于飞卫星（质量在0.1kg以下的卫星）范畴[11]。

2.2 MEMS卫星

如果把卫星看作是一个系统，则简单卫星一般可由下列子系统组成：（1）电源；（2）通信子系统；（3）星上传感器子系统；（4）控制子系统。对于较复杂的卫星，还有控制和调节卫星姿态的推进器子系统、使天线和太阳能电池适时转向的子系统等。

随着MEMS技术的进展，这些子系统逐步在MEMS化，即用MEMS技术制造。全部或大部分子系统都由MEMS技术制造的卫星，称作MEMS卫星。由于