微机电系统技术及其在航天器上的应用展望

2008-12-12申坤

空间控制技术与应用 2008年1期

关键词：器件机电卫星

申坤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

微机电系统技术及其在航天器上的应用展望

申坤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

微机电系统是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、各种接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。随着科学技术的发展，微机电系统在精度和可靠性方面都有了很大的提高，得到了越来越广泛的应用。论述了微机电系统的技术特征、主要技术和加工工艺，并展望了微机电系统在航天器上的应用前景。

微机电系统；技术特征；关键技术；加工工艺

1 引言

微机电系统（MEMS）是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、各种接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统[l]。其技术是在微电子和微机械技术基础上发展起来的一门多学科交叉技术，它使用现有批量化的微加工技术制造出尺寸与集成电路大小相当的多功能微系统。

自二十世纪九十年代兴起以来，MEMS的生产逐步产业化和规模化，在工业过程控制、环境保护与检测、交通运输等民用领域的应用逐渐增多。随着MEMS精度和可靠性的提高，被越来越多地应用在航空航天、武器装备等军事领域。

本文概述了MEMS的技术特征、关键技术和主要的加工工艺，并展望了MEMS在航天器上的应用前景。

2 微机电系统的技术特征

2.1 研究方向多样化

由于系统是不同功能单元的高度集成，所以MEMS技术的研究方向日益多样化，研究范围涉及到电子工程、材料工程、机械工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物等多个学科、多个领域，并汇集了当今科学技术的尖端成果。

2.2 制造工艺多样化

受到工艺水平的限制，要实现MEMS的功能，从设计之初就需要与制造工艺紧密结合。MEMS的制造主要基于两大技术：集成电路（IC）技术和微机械加工技术。与微电子的平面工艺不同，MEMS更注重三维结构的制造[l]。它有3种主要的加工方法：以美国为代表的以IC加工技术为基础的硅基加工方法；以德国为代表发展起来的LIGA技术；以日本为代表发展起来的超精密加工方法。

2.3 MEMS传感芯片与信号处理电路单片集成化

MEMS的材料主要有硅、氧化硅和氮化硅等，硅材料具有良好的机械性能和电气性能，与IC加工工艺完全兼容，易于实现机械与电路的集成。所以采用IC生产工艺和加工过程进行生产，一次可制造出成百上千个微型器件，阵列式的生产使成本大幅度降低，性价比大幅度提高，利于集成。

2.4 MEMS器件制造与封装统一考虑

由于MEMS器件已拓展到三维空间，所以不同的器件其制作工艺也多种多样，封装技术必须与相应的制造工艺兼容。MEMS产品方面的诸多问题，MEMS封装，完成器件后的划片、检测和后测试，以及由封装引起的机械性能变化、化学粘污、热匹配、真空或密闭气氛对器件可靠性和重复性的影响等，从器件研究一开始就要同时考虑，并且一定要与具体工艺相结合。

3 微机电系统的关键技术

3.1 微机电系统的设计技术

微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同。传统的设计加工采用的是从零件设计一直到最后装配到系统中的思路，即自下而上的方法。微机电系统是采用微电子和微机械加工技术，在通盘考虑的情况下，几乎同时将所有的零件、电路和系统都制造出来，零件和系统紧密的结合在一起，即一种自上而下的方法。微系统的设计主要是进行设计理论和方法的研究，并注重现代设计方法-计算机辅助设计（CAD）在设计中的应用，CAD是微系统设计的主要工具。CAD设计工具包括：器件模拟、系统校核、优化、掩膜板设计和过程规划等，此外还应建立机械、热和电气混合模型，进一步还要考虑包括对物理、化学效应进行综合的描述和分析。

3.2 微细加工

MEMS学科涉及到的加工技术主要有体微加工技术、表面微加工技术、高深宽比微加工（LIGA和准LIGA）技术以及包括微细放电加工、能量束加工等特种加工技术。

3.3 微系统的装配与封装

微系统的装配和封装是一项重要的研究内容。目前，生产的微机电系统价格非常昂贵，主要原因之一是装配和封装的成本太高。据统计，一般MEMS的封装约占总成本的70%。因此MEMS的封装要充分借鉴和引用微电子封装技术和经验，逐步向集成化和低成本的方向发展。现在，在微电子封装中应用的倒装芯片封装、上下球栅阵列封装和多芯片模块封装已经逐渐成为MEMS封装的主流。

微机电系统的元件装配大多数采用与材料相关的物理-化学工艺。传统的装配技术并不适合微装置，因为构成元件的尺寸太小，闭合的公差在亚微米级。此外，宏观装配中重力和物理力是主要的考虑因素，而在微装配中化学力和静电力则占主要地位。目前几乎没有相应的理论和方法来处理微装配的这些问题。

3.4 微系统封装可靠性与检测技术

微系统封装的可靠性可定义为在给定期限内微系统能够按设计规定正常运行的概率[l]。保证封装后的微系统在一定时间内可靠运行的主要技术手段有两种：一是加强可靠性设计，即在设计阶段预先考虑产品的可靠性，通过研究各种可能的失效模式与失效机理，选择合适的材料和改善工艺，可减少乃至消除的失效。二是完善可靠性测试，即在产品设计、制造和封装完成以后，有针对性地进行可靠性测试实验。由于自身的尺寸在毫米级以下，故对其测量技术的要求就更高。微系统测量技术涉及材料的性能、电气机械性能，微结构和微系统参数和性能测试等各个方面，需要在测量的基础上，建立微结构材料的数据库和系统的数学和力学模型。

4 微机电系统的主要加工工艺

MEMS的发展是与相关的制造技术的进展分不开的，其基础是微电子集成工艺。微细加工技术是在硅微加工方法的基础上发展起来的，由于微电子工艺是平面工艺，在加工MEMS三维结构方面有一定的难度，为了实现高深宽比的三维微细加工，通过学科交叉渗透，已研究开发出了如LIGA和激光加工等方法。

4.1 体微加工技术（Bu1king Micro Machining）

体微加工技术是制造微三维结构的一种方法。它按照预先设计的图形从基底（硅片等材料）开始，通过有选择地去除部分材料，形成悬空、模片和沟、槽等指定的微结构。其主体材料通常为单晶硅片，而材料移走的关键技术是选择性化学蚀刻。根据使用的蚀刻剂的不同，可分为湿法蚀刻和干法蚀刻；根据蚀刻特性的不同又可以将之分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。目前，各向异性腐蚀的研究重点已从腐蚀得到的几何结构方面转向如何提高腐蚀的精度、均匀性和表面粗糙度以及如何与标准CMOS兼容等问题上[2]。

4.2 表面微加工技术（Surface Micro Machining）

表面微机械加工技术是一种利用硅片表面薄膜的沉积和腐蚀（牺牲层技术）来制造微机械装置的方法。

表面微加工技术的优点是充分利用了现有的IC生产工艺，和IC技术完全兼容，与微电子电路容易集成，结构尺寸比采用体加工技术要小。现在已经能制造微悬臂梁、微型桥和微型腔等悬式结构，还可制造复杂的静电驱动微电机和各种制动器等微结构。但是由于其厚度完全受限于沉积薄膜的厚度，所以制造的基本结构多是二维的[2]。

4.3 LIGA和准LIGA技术

LIGA技术起源于德国，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸成型和注塑成型3个工艺步骤。它对器件的加工宽度可小于lμm，深度可大于l000μm，加工精度可达0.lμm，被认为是能够产生最佳高纵横比的微加工技术。LIGA技术可以加工多种金属材料和非金属材料，这种技术因为工艺步骤比较复杂，与IC工艺不完全兼容，X射线成本昂贵，因此难以普及。而准LIGA技术采用紫外光源作为光刻时的替代光源，加工厚度为数微米至数十微米，且与IC工艺兼容性好，因此准LIGA技术得到了广泛应用。

利用LIGA和准LIGA工艺，可以加工制造各种三维金属结构，如微齿轮、微加速度传感器等，但它们只局限于加工直壁结构的立体，而不能加工任意形状的三维立体[2]。

5 微机电系统在航天上的应用展望

空间技术已成为当今世界高技术群中对现代社会最具影响力的高技术之一，不断发展和应用空间技术已成为世界各国现代化建设的重要内容。随着世界上各个航天大国对于空间技术竞争的加剧和对于空间资源依赖程度的不断提高，要求航天器的性能和功能水平越来越高，其中航天器的微小型化是今后航天器技术发展的一个重要方向。

目前微小卫星主要分为3类：质量l0～l00kg、功耗几十瓦、直径30cm的微卫星；质量l～l0kg、功耗几瓦、直径l0cm的纳卫星和质量l kg以下、功耗毫瓦量级、直径l～3cm的皮卫星。

5.1 MEMS在卫星上的应用

目前，微小卫星的各项应用技术已从实验室的原理试验、地面试验阶段发展到飞行验证、飞行应用阶段。在许多领域，如月球、火星的无人探测、微小卫星的科学研究、空间侦察，基于微小卫星的组网、编队飞行等都有着广泛的应用前景。近年来，微小卫星技术的发展为航天，尤其是军事航天带来了新的活力，许多天基攻防卫星都是用微小卫星实现的。

美国军界对部件和航天器微小型化方面的研究有着浓厚兴趣，并最先把微电子、微机械、微光学等微技术和MEMS、MOEMS应用于航天领域，其主要途径是通过战略防御倡议办公室（SDIO）执行“智能卵石计划”（拨款4l亿美元）和国防部高级研究计划局（DARPA）开发轻型卫星推进部件微小型化。“智能卵石”计划第三阶段就已开发出l6kg航天器——基地动能武器（GBI），它的关键器件重量大幅度减少，如推力器（包括l.3N和250N推力器和贮箱）2.6kg、三轴惯性基准单元0.3kg、采用32位/24MIPS微处理器的星载计算机l.4kg、星跟踪器0.l75kg、紫外和可见光摄像机0.22kg、激光雷达仅0.9kg、带有斯特林致冷器的摄像机l.0kg、结构系统（采用复合材料、与贮箱成一体）0.4kg[3]。

小型航天器的发展必然要求与其相适应的控制和推进技术。控制技术方面，微小型卫星，尤其是军事卫星要求有较强的自主导航能力，为满足自主导航的测量需求要研制尺寸更小、功耗更低、重量更轻、中等精度以上的微型惯性敏感器；推进技术方面，为满足小型航天器的发展必然要求与其相适应的微推进技术，除对小冲量和小推力的要求更为苛刻外，还包括对重量、体积和功率等的苛刻要求。

对于微卫星，目前的推进系统小型化后可以适应其工作要求，例如Moog公司制造的4.5mN级冷气推力器即可用于微卫星的姿态控制，国外常用的直径5～l0cm离子推力器可用于微卫星的大ΔV机动等。但对于纳卫星和皮卫星而言，要求复杂的推进剂供给系统。当前的推进系统，无论是体积还是重量均无法适应其要求。因此从重量和体积方面来说，基于MEMS的推进技术具有很大的优越性，尤其适用于纳卫星和皮卫星。现在比较适用于微小卫星的推进技术是数字阵列微推力器和微压力传感器。

5.2 MEMS在航天上的应用前景展望

5.2.l 用于飞行时间较短的微小卫星，实现编队飞行。

利用MEMS技术制造出的微小卫星，在重量、研制周期、机动性、造价与发射成本上具有其它卫星不可比拟的优势。可用于紧急时刻的快速响应，采用一箭多星发射和子母卫星的方式，在卫星轨道上形成卫星群，以编队飞行的形式覆盖一定的范围，实现卫星之间的资源与信息共享，可完成立体成像和分布式空间测量等较复杂的任务，微小卫星的这些优势决定其在军事、商业、民用等领域必将发挥重要作用。

5.2.2 应用于大型卫星已有功能的监测

通常大型卫星对长寿命、可靠性都有非常高的要求。但由于目前MEMS器件的生产仍受到工艺制造水平的制约，在精度、可靠性等方面还有许多技术难题亟待解决。若在大型卫星中使用MEMS器件，一旦失效，可能会导致整星的失效，造成较大的经济和时间上的损失。同时，考虑到MEMS器件与星上其他大型部组件的接口匹配问题还存在技术障碍，故在短时间内尚无法替代原有的系统或组件。

但是，MEMS在大型卫星上并非无所作为，可以考虑将用MEMS技术批量化生产出的、在民用产品上已经广泛应用的一些惯性器件用于大型卫星发射及在轨期间过程控制的监测，为星上部组件调控及地面遥控和星上部件故障的判断提供技术依据，也为提高后续卫星的设计水平及持续改进质量提供宝贵的资料。

5.2.3 星上用的控制与推进系统

MEMS微惯性器件的关键技术，主要包括表头设计、接口电路设计、器件集成和封装设计等。可根据技术水平的逐步提高，分步实施应用。如可先期实现微惯性器件的准确安装和集成、实现能敏感多轴线运动和角运动的微惯性器件的一体化集成。

MEMS压力传感器已经在民用行业得到广泛的应用，可以开展在卫星上推进系统的应用研究和空间环境适应性研究，特别是压力传感器与工作气体和推进剂的长期相容性研究，以及耐空间辐照和电磁相容性研究[3]。

6 结束语

随着科学技术的进步和基础研究的逐步深入，MEMS的设计水平和制造水平在2l世纪将会有很大的发展。同时随着精度和可靠性的进一步提高，成本会逐渐降低，MEMS将会得到更加广泛的应用。

[l]金玉丰，王志平，陈兢.微系统封装技术概论[M].科学出版社，2006，206～208

[2]胡雪梅，吕俊霞.微机电系统的发展现状和应用[J].机电设备，2005，（6）：4l～44

[3]孟松.MEMS等微小型化系统关键技术[R].中国空间技术研究院的发展策略研究报告.2007，29，33～34

Techno1ogy of MEMS and App1ications in Spacecraft

SHEN Kun
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

Micro-electro-mechanical system（MEMS）is amicro component or a system which is composed of microstructures，micro sensors，micro actuators and signal processing circuits，control circuits，kinds of interfaces，communication cables，power-supplies.As the science and technology develop，MEMS is improved in precision and reliability，and，therefore，is widely used.This paper presents the technical characteristics，key technologies and the manufacture processes of MEMS，Its applications in spacecraft are also addressed.

MEMS；technical characteristics；key technology；manufacture processes