航天微系统技术及其应用概述

孙海钦，李金，吴振广，朱英玮，闵康磊

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

微系统的概念诞生于二十世纪八十年代，由德国MBB公司首次提出，并快速成为科技发展的热点技术拥有广阔的应用前景，甚至被认为是决定未来竞争的关键技术[1-2]。微系统技术是指通过采用异构/异质三维集成的形式，将微电子、微机电和微光电技术等融合在一起，通过智能化算法和架构技术构成一体化软、硬件多功能集成的微型系统。微系统具有高度集成化、小型化和智能化的特点，解决了电子系统电路中接口部分成本与尺寸均远大于电路部分的矛盾，快速在智慧医疗、航空、消费电子、智慧物流、汽车化工、机器制造、精密机械等领域取得重大成就。但是微系统技术在航天的应用仍然面临着可靠安全的巨大挑战，同时微系统技术复杂、设计专业技术多、研发成本高，也注定了其不可能由一家单位、一个企业单独研发。同时应用于航天领域的微系统技术也需要在系统设计评价、研制过程保证、系统指标评价体系、抗辐射特性和复杂空间环境测试验证等方面进行多方面考核[2-3]。如何针对航天应用的要求，将微系统技术航天化是一个需要重点关注的问题。

1 微系统技术简介

微系统技术的诞生得益于微电子技术和为机械技术的迅速发展。上世纪六十年代以来，微电子技术的发展使集成电路芯片的尺度不断变小，同时硅加工技术的不断成熟催生了宏观机械结构的微米尺度样机，迅速在微小型机械制造领域掀起一股热潮。七十年代，美国Kulite压力传感器公司利用硅的各向异性腐蚀，采用微机械加工技术制得尺寸小至几百微米，厚度薄至几微米的硅膜，使得压力传感器的产量和质量答复提高，同时降低成本。八十年代，科学家们正式提出了微机械执行器的概念，美国加州大学伯克利分校成功研制了基于硅微加工工艺的静电马达轰动了国际科学界，并激励人们不断地追求越来越小的、越来越完善的微小尺度结构系统。1989年，美国国家自然科学基金会更是肯定了微机械加工以微机电系统(Micro Electromechanical System, MEMS)为目标的研究方向，并投入巨款进行研发，极大地促进了微系统的发展[4]。

实际上，当时所描述的微机电系统（MEMS）更加偏向于微机械，并不完全等同于现在的微系统。MEMS通常包含一个传感或致动元件和一个信号传输单元作为其核心构件，主要为各种微传感器，而微系统是一个包含MEMS器件，面向完成特定工程任务而设计的工程系统。大多数微系统被设计和构造成单一的功能，并且工业上趋向于将信号处理和闭环反馈控制系统结合在为系统内，使系统智能化。这种具有微型致动结构的微系统是当前以及未来微系统发展的主要方向，也是微型和航天器工程所急需的，可以满足对高精度和有效载荷的关注，其在运动和尺寸稳定性方面的高精确度也使得他们尤其适合远程通信系统。

2 微系统与微电子

部分观点认为，航天微系统技术包括专用集成电路（ASIC）、片上系统（SoC）、单片微波集成电路（MMI）、混合集成电路（HIC）等微电子技术和微机电系统（MEMS）[5]。由于国内航天微系统产业发展尚不成熟、与国际先进水平有较大差距等因素，微电子技术仍然是我国航空航天领域发展的热点话题。但是微系统技术是微电子技术的进一步延伸，是涉及自然科学、物理学、化学和生物学等学科交叉的纳米科技前沿领域，在微系统的设计、制造和封装中主要涉及机械工程原理、电子工程、化学工程、材料工程和工业工程五个工程原理。

相对微电子技术，微系统技术具有以下显著差异：

（1）除硅材料以外，微系统还可能包括石英、GaAs、玻璃、塑料或者金属等材料；

（2）微系统设计面向大量的各种各样的功能，生物、化学、机电和光学等，而不是单纯的电子功能；

（3）微系统包含复杂的三维结构，需要机械工程设计的相关知识；

（4）微系统中的敏感元件和一些核心元件需要与工作介质接触，收集信息，这使得微系统与微电子技术的封装技术存在很大差距；

（5）大多数为系统会包括可动部分，如微型阀、微型泵、微型齿轮、微型夹钳等；

（6）微系统的制造和封装尚没有统一的工业标准，其制造技术主要为体硅微制造、表面微制造和LIGA技术、EFAB技术、CELT技术等。

微系统技术与微电子技术的不同同样是微系统技术发展中的重难点，在我国半导体工业发展不够成熟，与国外具有较大差距的情况下，发展微系统的设计与制造，在架构、微电子、MEMS、光电子和软件五大技术要素上取得突破性进展，需要全国科学工作者的不懈努力与奋斗。

3 微系统的典型应用

微系统自产生后，市场规模迅速扩展，在汽车、消费电子、电信、生物医学和航天工业中取得广泛的应用。

3.1 微系统在汽车工业的应用

由于汽车包含众多的传感器和制动器，在智能汽车和自动驾驶提出后，微系统使得汽车制造商可以使用更小、更多的器件，汽车系统也变得更为智能，舒适与安全[7]。

典型的，如汽车防抱死系统采用的微加速度计或微惯性传感器，汽车制动系统采用的位置传感器以及悬挂系统采用的位移、位置和压力传感器、微型阀等。微系统的应用使得汽车可以更加智能的感知道路交通环境，进而控制汽车做出反应，防止事故的发生。MEMS陀螺仪的发展，则使汽车的惯性测量系统得到迅猛发展。惯性测量系统将微电子、精密机械、传感器技术相互融合，具有集成度更高、性价比更好、体积更小、功耗更低等特点，且由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，并有很高的性价比。惯性测量系统提供的对汽车行为、运行状态、驾驶行为的测量信息可以用于汽车的辅助控制，如自动调速、自动保持车距等，亦可以用作汽车的自动驾驶或者无人驾驶系统。

据报道，德国德累斯顿弗劳恩霍夫光子微系统研究所正着手开发MEMS微镜扫描眼来赋予自动驾驶汽车3D视觉。含有微型可动元件的MEMS微镜意在向汽车提供更加可靠、稳定的，高精度的环境深度信息，以支持更加安全的自动驾驶系统。

3.2 微系统在航天工业的应用

微系统技术在航天工业的应用有很多可以借鉴汽车工业的方面。运行于空间轨道的卫星同样需要微陀螺仪等用于导航和稳定控制的惯性测量系统，需要用于检测微型自身状态并在故障产生时可作出一定反应的微传感器和微致动器。早在1999年，Helvajian和Janson就曾预测微系统在航天工业中可能的应用，徐泰然先生对此进行汇总[7-9]:

（1）包含可以抗辐射及对温度不敏感的数字逻辑电路和用于锁定及复位的芯片上的热控开关的微机电一体化的指令控制系统。

（2）包含微陀螺仪、加速度计和光纤陀螺的惯性制导系统。

（3）包含微型太阳和地球传感器、磁强计和推进器的空间姿态测定和控制系统。

（4）包括微机电一体化阻塞二极管、用于主动太阳电池阵列重构的开关,以及发电机的动力系统。

（5）包括微型压力传感器、用于泄露监测的化学传感器、单缸推进器阵列、连续微推进器和脉冲微推进器的推进系统。

（6）包括微热管、散热器和热控开关的热控制系统。

（7）包括极高带宽、低电阻射频开关、用于激光通信的微镜片和光学系统, 以及微可变电容、电导和谐振器的通信和雷达系统。

（8）包括微磁强计和重力梯度监视器(纳 g 加速度计) 的空间环境传感器。

我国航天微系统的发展也较为迅速，航天科工微系统技术有限公司融入融合姿态测量系统、圆锥扫描峰值跟踪、载体姿态解算、补偿算法及相控阵通信等多项业界领先技术的卫星通信天线在民用领域已取得一定成果。运用微系统技术，具有体积小、重量轻、成本低、研制周期短、发射方式快速灵活等优点的微纳卫星也逐步走上历史的舞台[1-2,5]。可以预见的是，搭载有智能系统的微系统部件再给卫星提供精确的环境探测信息之外，还可以用于卫星故障紧急自救，卫星自我控制与调整等功能。

除此之外，航天微系统的应用并不仅限于卫星自身。欧洲空间局计划发射的“清道夫”、美国DARPA计划研制的太空机器人等机器人以及自身尺寸极小的微型机器人和纳米机器人都将在太空史和微系统发展史上留下浓重墨彩的一笔。

4 结语

微系统技术是具有极强竞争能力的技术，必将在航天领域发挥重大作用。在微电子技术持续发展，集成接口和电子电路将空间设备的运算能力大幅提升，尺寸大幅减少的情况下，微系统技术的加入必将使其具有更加灵活的架构，更加智能化的控制操作系统与任务系统。世界上主要发达国家已经投入微系统的开发与应用上，我国应在微系统技术的设计、研制与应用上根据国情妥善布局，抢占科技高地，实现产业自主化。