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
硅材料既具有很好的半导体性能，也具有包括强度、硬度在内的良好机械性能，因而用微电子技术可在（硅）晶圆片上制作各种集成信息处理电路，用微加工技术在（硅）晶圆片上制作卫星子系统。

MEMS卫星有许多传统卫星不具有的优点：重量轻、体积小；成本低；耐辐射，耐振动[12]。

3. MEMS在卫星中的应用
MEMS可以在三个层次上应用于空间技术：一是在传统航天器中采用MEMS，使得其单机和分系统尺寸减小、质量减轻而功能更强，自主性更高；二是利用MEMS及其他微型化技术减小卫星整体尺寸，制造微纳卫星；三是发展新概念航天器。

可以认为，MEMS技术是实现“快、好、省”地发展新一代高功能密度航天器的关键技术[4]。

3.1MEMS技术在航天领域应用的优势
MEMS技术首先应用在航天技术领域，是由于航天技术对器件功能密度比的要求非常高。

MEMS技术在航天领域的应用优势：（1）极小的质量和体积；（2）低功耗；（3）热常数小；（4）抗震动、抗冲击和抗辐射；（5）高集成度；（6）批量制造；因此对航天工业的技术进步有着重大的推动作用[3]。

3.2 MEMS技术应用的可靠性
虽然航天用MEMS器件在许多方面与其他地面应用要求相同，但对于可靠性一般寿命要求15年。

特别对于太空硬件，至关重要的是太空环境下不可维修。

同时，对MEMS器件的精度也有更高的要求。

而直接影响航天用MEMS器件可靠性的重要因素则是太空特定工作环境下的辐射、真空、热冲击和振动及其封装。

其他因素有原子氧和等离子体等[13]。

（1）辐射
电离辐射通过充电介质影响MEMS器件，导致其特性改变或经典操作设备故障。

即使在受高剂量辐射的太空任务结束后，硅和金属的机械性能大多不变，硅作为结构材料本质上是耐辐射的，因此大多数MEMS器件被认为是耐辐射的。

（2）真空
航天用器件是在非常高的真空环境下工作的。

从MEMS器件的角度看，在真空环境下工作，只要符合以下两个条件中的任何一个就会出现问题：第一器件不是气密性封装；第二器件产生或吸收的热量超过几毫瓦。

然而出现这两个条件的可能性非常小。

航天用MEMS器件必须采用气密性封装外壳，以保证该器件在太空工作20年以上。

另外，MEMS器件的功耗通常为几毫瓦数量级。

（3）热冲击
热冲击对于MEMS器件可能会相当严酷，最大的挑战是MEMS器件内元件之间，或是MEMS器件与外壳间的热膨胀系数不匹配。

热冲击可导致MEMS器件内的多层剥离，从而导致失效。

对于多层剥离问题，可以使用单片工艺或采用相同热膨胀系数材料解决。

（4）振动和机械冲击
在发射过程中，振动和机械冲击比地面试验要大得多。

一般认为MEMS 器件易受到冲击和振动。

如果在设计和封装中多加考虑，采用对称的悬挂集合结构设计来避免应力集中就能大幅提高抗冲击能力。

减小振动的关键因素是使施加的振动频率与MEMS结构的固有频率不发生耦合[14]。

3.3MEMS器件在微纳卫星中的应用
3.3.1 MEMS微推进器子系统
推进器在卫星上有两个主要功能：将卫星从一个轨道转到另一个轨道；控制卫星姿态。

据称，美国正在研发的姿态控制数字推进器是由几个硅圆片堆积成的，每个硅圆片上用MEMS技术制作了二维小推进器矩阵。

每个小推进器都由MEMS技术制作的小反应室，反应室内装有火箭燃料和电加热点燃装置。

一层晶圆片上的小推进器都被使用后，这层晶片会被抛弃，露出下一层供使用[15;16]。

3.3.2 MEMS传感器的应用
航天领域中的MEMS传感器主要有五种用途：（1）提供有关航天器的工作信息，起故障诊断作用；（2）判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案；（3）提供全系统自检所需信息；（4）提供各分系统、整机内部检测参数，验证设计的正确性；（5）检测飞行器外部环境，保证正常飞行参数。

MEMS加速度传感器主要应用与姿态航向基准系统，导航系统，飞行控制系统，飞行期间的结构测试，稳定性测试等[17]。

MEMS化学传感器这种类似于电子鼻的高温传感器阵列是用于检测和控制排放物质。

通过分析电子鼻产生的信号确定排放系统废气的成分。

MEMS压力传感器在飞行中、结构强度测试、风动试验以及在设备的制造生产过程中应用十分普遍。

压力测试的特点是：被测压力种类多，涉及范围广，测压点多，测量精度要求高。

MEMS传感器构成的电子设备在微笑卫星技术有重要的应用。

机载分布式大气数据计算机，由全压-静压-攻角为一体的多功能微型大气数据探头、微型压力传感器以及信号处理单元直接组成，封装在壳体内形成一个微机电系统[2]。

3.3.3 RF-MEMS开关的应用
RF-MEMS开关主要应用在通讯卫星中的通讯系统。

在通讯系统中，通常使用大体积的电子机械开关和高能耗的固体电路开关。

而利用MEMS技术制作的RF-MEMS开关，具有体积小、功耗低等优点，可以替换通讯系统中原有的开关。

RF-MEMS开关也可以应用与有源相控阵天线的移相器中。

目前，这些移相器主要使用固态电路元件。

而固态电路元件由于攻好高、线性度低限制了其在卫星通讯系统中的应用。

与之相比，利用RF-MEMS开关技术制作的移相器，具有插入损耗低、功耗低、线性度好等特点[18]。

3.4MEMS在其它小卫星中的应用
3.4.1 基于MEMS技术的军用微纳卫星
微纳卫星通常指质量小于100kg的卫星，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。

由于微纳卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点，很适合于战场环境的监视、侦查、目标定位、通信中继等[19;20]。

作为未来高技术战争的“杀手锏”，在建立以卫星为核心的C4I（指挥、控制、通信、计算机和情报）一体化系统、提高战术武器的隐蔽性、突防能力等方面，微小卫星有极大的需求背景[21;22]。

3.4.2 微机电系统皮纳卫星
“微机电系统皮纳卫星”（MEMS Picosat）是美国国防高级研究计划局支持研制的，单星质量250g的一对皮卫星，共发射了两次。

这两对卫星的目的是用于验证微机电系统射频开关技术[9;23;24]。

4. MEMS在微纳卫星中的发展趋势
MEMS技术在热控子系统中的成功应用为其进一步在其它各系统的应用开了一个好头，起到参考示范的作用。

一方面，这证明了将MEMS技术应用在微小型卫星领域是可行的，使得工程技术人员更加有信心、有决心继续为MEMS 技术的拓展应用而坚持不懈地奋斗拼搏；另一方面，也明确地显示出应用MEMS 技术可以有效地促进微小卫星的发展和提高。

反过来，微小型卫星的不断发展也会相应地要求MEMS技术的不断前进，两者是相辅相成、密不可分的关系。

总之，采用MEMS技术进行微小型卫星系统的设计制造是必然的发展趋势[5;25]。

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