微电子机械系统MEMS技术在军用设备中的应用现状

万方数据

第４期方震华，等：微电子机械系统（ＭＥＭＳ）技术在军用设备中的应用现状３

般很小，可自主、半自主或人工遥控工作。根据体积可分为厘米、毫米和微米尺寸机器人，有一定智能，可在微空间进行可控操作或采集信息，其最突出的优点是能执行常人无法完成的任务，而且可批量、廉价制造。美国研制的一种可探测核生化战剂的微型机器人，只有几毫米大小。还有一种构想中的“黄蜂”微型机器人，只有几十毫克重，可携带某种极小弹头，能喷射出腐蚀液或导电液，攻击敌方装备的关键电子部件。美国五角大楼认为军用微型机器人的发展将有可能改变下一世纪的战场。

“智能尘埃”是微型机器人的一种，它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成ＨＪ。将这类微尘散放在一定范围内，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。近几年，由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能尘埃甚至可以悬浮在空中几个小时，向相关作战人员提供实时或近实时的战场信息，包括通过有人和无人驾驶的地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三维地形特征、多莺频谱图形等信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息，以及由其他传感器输入的信息相瓦关联，从而为交战网络提供诸如开火、装甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。

１．４基于ＭＥＭＳ技术的军用微型飞行器

微型飞行器（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，ＭＡＶ）的概念是由美国于２０世纪９０年代最先提出的，由于其具有特殊的用途而倍受关注。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型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、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技术的支持，以减少体积和莺量，改善飞行器的性能。微型飞行器具有导航及通信能力，可用手掷、炮射或飞机部署，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，具有价格低廉、便于携带、操作简单、安全性好等优点。

目前，微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家，正在研究的ＭＡＶ主要有三种，一种是像飞机一样的固定翼式，第二种是跟昆虫和鸟类一样的扑翼式，第三种是跟直升机一样的旋翼式如图ｌ所示哺］。美国ＭＬＢ公司研制出翼展为４５ｅｍ的微型飞行器Ｂａｔ，该机飞行时间２０ｍｉｎ，飞行速度大约为６４ｋｍ／ｈ，飞行高度４５７ｍ；德国的ＩＭＭ公司已经研制出了一种直径１．９ｌＩｌｓ、长度５．５ｍ８、重鼍９ｌｒｎｇ、最大转速达１０万转／分钟的微型电机，同时利用这种微型电机制成了一架串列式双旋翼的微型试验直升机；日本东京大学的毫米级微型飞行机器人能在交变磁场中扇动翅膀；印度、澳大利亚等国家也都在研制不同用途的微刑飞行器。

图１从左到右依次为固定翼式、扑翼式、旋翼式ＭＡＹ

现代战场上，已经能见到微型飞行器的身影。在阿富汗战场上，美军已开始使用一种名为“微星”的微型飞行器进行情报收集，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑操纵“微星”，可侦察前方５ｋｍ的情况。１．５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、微光电技术等技术发展起来的，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（ｍｉｅｍｓａｔ），ｌｈ一１０ｋｇ的卫星称为纳米卫星（ｎａｎｏｓａｔ），０．１ｋｇ一１ｋｇ的称为皮卫星（ｐｉｃｏｓａｔ），０．１ｋｇ以下的称为飞卫星（ｆｅｍｔｏｓａｔ）１６］。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，受到了航天、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。

图２两颗绳系皮卫星

２００２年２月７日，由ＤＡＲＰＡ出资，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ公司生产的两颗绳系皮卫星从近地球轨道上的“母”卫星Ｏ?ＰＡＬ（ＯｒｂｉｔｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｅｄＰｉｃｏｓａｔＬａｕｎｃｈｅｒ）上送人太空。这两颗皮卫星是世界七首次发射的功能较全的超小型卫星如图２所示。此次试验，验证了ＭＥＭＳ技术在太空

中的稳定性及町靠性，对促进ＭＥＭＳ技术在微纳型卫星

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第４期庞启龙。等：高功率电源模块封装的热应力分析１３４３３４次就会有器件脱焊失效，进而模块报废。而且疲

劳寿命的计算结果显示，最短疲劳寿命的位置处于器件与基板层之间，也就是处于焊料层内，这一结果与热应力分析相一致。由此可见，选择具有较高抗疲劳失效性能的焊接材料，可以有效地延长模块的使用寿命。

图９器件上不同位置的疲劳寿命示意图

４结论

通过对电源模块封装进行热力耦合及疲劳强度分析可以得到以下结论：

１）常用的电源模块中，器件上存在较大热应力的位置一般处于底部的焊点处；

２）器件上由热应力循环引起的疲劳失效的位置，也同样易出现在焊点处，即焊料的材料性能会直接影响到模块的使用寿命；

３）模块内的灌封胶因杨氏模量较小，因此即使发生较大的热变肜也不会对器件的热应力和疲劳寿命造成太大的影ｕ虬

综上所述，使用有限元方法可以比较真实的还原和分析现实条件下电源模块封装的热应力及疲劳失效问题，获得使用常规实验方法难以得到的技术信息，以更好地提高模块的使用性能和寿命。参考文献：

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ＮＪ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥｐｒｅｓｓ，２０００：１２６１—１２６６

作者简介：庞启龙（１９７９一），男，工程师，研究方向为高功率电源结构设计。

黄春江（１９７１一），男，－ｒ－．程，Ｗ，长期从事机栽雷达结构方面的研究工作。

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（上接第４页）

［３］ＢａｒｋｅｒＮＳ，ＲｅｂｅｉｚＧＭ．ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＭＥＭＳｔｒｕｅ?ｔｉｍｅｄｅｌａｙｐｈ蹴ｓｈｆｆｔｅｒｓａｎｄｗｉｄｅｂａｎｄｓｗｉｔｃｈｅｓ［ｃ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｅ－

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［７］王健琪，杨国胜，董秀珍．“军事医学电子工程”的若干研究方向与发展［Ｊ］．第四军医大学学报，１９９９，２０（３）：２４９—２５１

作者简介：方震华（１９７９一），女，工程师。从事雷

达产品项目科技管理工作。万方数据

微电子机械系统(MEMS)技术在军用设备中的应用现状

作者：方震华，黄慧锋， FANG Zhen-hua， HUANG Hui-feng

作者单位：方震华,FANG Zhen-hua(南京电子技术研究所,江苏,南京,210039)，黄慧锋,HUANG Hui-feng(中兴通讯股份有限公司,南京,210012)

刊名：

电子机械工程

英文刊名：ELECTRO-MECHANICAL ENGINEERING

年，卷(期)：2010，26(4)

被引用次数：0次

参考文献(7条)

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4.胡罡.叶湘滨.陈利虎"智能尘埃"的体系结构与关键技术 2004(1)

5.袁昌盛.付金华国际上微型飞行器的研究进展与关键问题 2005(6)

6.詹亚锋.马正新.曹志刚现代微小卫星技术及发展趋势 2000(7)

7.王健琪.杨国胜.董秀珍"军事医学电子工程"的若干研究方向与发展 1999(3)

相似文献(10条)

1.期刊论文李学东.余志伟.杨明忠.LI Xue-dong.YU Zhi-wei.YANG Ming-zhong基于MEMS技术的微型传感器-仪表技术与传感器2005(9)

和传统的传感器相比,微型传感器具有许多新特性,它们能够弥补传统传感器的不足,具有广泛的应用前景,越来越受到重视.文中详细介绍了一些微型传感器件的结构和原理,说明了微型传感器的基本性能特点和微型传感器的发展趋势.

2.会议论文孟洪.陈丽洁.许欣然基于MEMS技术的低频微型矢量水听器技术研究2009

本文将MEMS技术用于矢量水听器的设计与研制中，介绍了以微机械加工技术为基础的矢量水听器的工作原理与设计方法，具体分析了检测单元MEMS敏感芯片微机械结构设计及工艺实现方法等，对二阶系统悬臂梁结构进行了建模分析，在理论分析的摹础上，研制了基于MEMS技术的三维同振柱型压阻式组合矢量水听器，并给出了矢量水听器的声性能测试结果。

3.期刊论文霍晓玮.冯勇建.廖泽龙.陈志建用于真空测量的电容式微型传感器-中国科技成果2010,11(19)

文章介绍了一种利用MEMS技术制作加工的电容式微型真空传感器.该传感器采用p++硅自停止腐蚀技术和硅一玻璃键合技术制作,形成了硅-玻璃-硅的三明治结构,使得该传感器结构简单、灵敏度高.传感器输出的电压信号经过信号处理电路进行放大、处理,实验数据表明,传感器的电容值与真空度成线性关系,满足测量的要求.

4.期刊论文何茂先.殷晨波.涂善东.HE Mao-xian.YIN Chen-bo.TU Shan-dong微型传感器在汽车工程中的应用-传感器与微系统2006,25(2)

介绍了基于微机电系统(MEMS)技术的微型传感器的特点和发展概况,以及应用在汽车发动机控制、安全系统等方面的微型传感器的原理、特点和主要技术参数.并简要介绍了高温微电子在汽车上的应用.同时,预测了未来汽车微型传感器的发展趋势和市场应用前景.

5.学位论文王立峰一种新型集成静电场微型传感器的研究2006

环境电场检测系统的应用涉及航空、航天、国防、气象、电力等多个领域。而在大气电学研究和雷电气象预报中环境电场的检测更是具有十分重要的作用。根据感应原理的不同，静电场传感器主要分为电荷感应式和光学式电场传感器。而基于MEMS技术的微型电场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、便于与其它传感器集成和批量生产的优点。因此微型电场传感器的制造成本和使用成本都大大低于普通电场传感器，便于推广和应用，具有很大的潜在市场。本文研究的电场传感器是基于静态感应结构的静电场微型传感器。

首先回顾了电荷感应式和光学式电场传感器的发展过程，并给出了当前国内外电场传感器的最新进展。通过对MIS结构原理及电场中的半导体的研究，提出了一种新型的静态感应电荷的静电场微型传感器。其工作原理就是沟道表面将感应外界电场而使沟道电流发生变化，如外界电场入射n型沟道时，沟道电流随外界电场的增大而增大。与动态感应结构的电场传感器相比，静态感应结构的电场传感器的最大优点就是工艺简单、性能稳定和更易于集成化。然后推导了此基本感应结构的沟道电流随外界电场变化的关系式。接着在软件MEDICI中模拟了1000V/m外界电场时不同沟道长度、不同注入深度及注入浓度的结构的沟道电流、感应电流的变化情况，得到的模拟结果与理论推导的公式符合得很好。模拟结果显示沟道长2.0μm，沟道注入深度为

0.16μm，且沟道注入浓度为2×10<'16>cm<'-3>的感应结构在0．1V电压和1000V/m的外场下，其电场感应电流为7nA，感应电流与沟道电流比值为

0.16‰。然后具体分析了环境温度的变化和空间离子辐射对基本感应结构所造成的影响。针对基本感应结构会受环境温度的影响，设计了桥式结构。理论计算证明，桥式静电场感应结构的输出电压与外界电场成线性关系，并且能很好的抑制温漂。为了减小空间离子辐射对基本感应结构的影响，设计了SOI抗辐射结构及微加工抗辐射结构。第四章中给出了基本感应结构、SOI电场感应结构及微加工电场感应结构的工艺流程和在软件L—edit中绘制的桥式结构的版图结构。文章的最后对本文所做工作作了总结，并提出了存在的问题和后续工作的建议。

本文对静态感应结构的静电场微型传感器所做的探索性研究对制造实用化的集成静电场微型传感器有一定参考价值。

6.期刊论文林忠华.胡国清.刘文艳.张慧杰微机电系统的发展及其应用-纳米技术与精密工程2004,2(2)

微机电系统是在微电子技术基础上产生和发展起来的多学科交叉的前沿科学研究领域,是面向21世纪的高新科技.介绍了微机电系统产生的背景影响、组成特征和基础研究内容,综述了微机电系统技术基础所涉及的材料、微机械设计和模、微细加工技术以及微封装与测试等领域,并对微机电系统的应用、典型的微器件、国内外的发展现状及前景进行全面分析.在此基础上,论述了MEMS技术目前存在的问题和未来发展的趋势.

7.学位论文王权通用型耐高温压力传感器研究2005

微机电系统MEMS(microelectromechanicalsystem)技术起源于微型硅传感器的发展，最初用于生产固态半导体硅压力传感器，而当MEMS技术迅速崛起之后，大大促进了微型传感器的技术进步，并使各种类型的传感器微型化，微型传感器已经成为MEMS的重要组成部分之一，目前具有实用价值并得到较广范应用的是微机械力敏传感器，主要有压力传感器、加速度传感器、角速度传感器等，而其中应用最广的是半导体硅压阻式压力传感器。

在石油开采、化工领域的反应釜和冶炼塔等的压力测量中，对压力传感器提出了耐高温、微型化、抗腐蚀等要求，传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个P型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，采用PN结隔离，当温度在100℃以上时，PN结漏电流很大，使器件无法工作。因此设计制作高温压阻式压力传感器，必须取消PN结隔离。

本文采用了SIMOX(separationbyimplantedoxygen)技术设计和制作了二氧化硅介质隔离的SOI(silicononinsulator)力敏元件，针对-40～220℃的工作环境设计了装配结构，完成了耐高温封装工艺，选用了恒流源激励，设计了温度补偿电路，完成了静态标定，获得了高性能稳定性佳的耐高温压力传感器。论文的主要研究工作和创新成果如下：一、研究了单晶硅的晶面和晶向的特性，结合微机械加工技术和各向异性腐蚀技术，针对高温高压的要求，采用圆平膜芯片设计，以(100)晶面为工作面，两对桥臂力敏电阻分别布置在互相垂直的[110]和[110]晶向上，位于圆膜边缘处从而获得了四个臂的差动等臂等应变的惠斯登检测电桥；采用SIMOX技术，在N型硅片上高能注入氧离子，获得了优质商用的二氧化硅介质隔离的SOI晶片，并在微加工平台上

，制作了大量程硅杯式耐高温芯片，其尺寸为5.0mm×5.0mm×0.5mm。

二、采用了四层结构Pt5Si2-Ti-Pt-Au合金化引线系统，即用铂硅来形成对硅的欧姆接触，而后用三层金属：钛；铂和最后的金来完成金属化系统。在光刻引线孔后溅射铂，经700℃热处理后在接触窗口上硅与铂形成Pt5Si2合金，然后去掉氮化硅上的铂，再依次溅射钛和铂，最后蒸发或镀覆金层。其中Pt5Si2是性能较稳定的化合物，其与重掺杂的硅形成了良好的欧姆接触，钛作为粘附层，把Pt5Si2和氮化硅以及上层金属粘合起来，最外层金作为导电层，为了防止金与钛反应形成高阻化合物，中间夹着一层铂作为过渡层，从而解决了高温传感器引线的难点。

三、制作了静电键合装置，完成了硅/玻璃环静电键合，制作了压焊工作台，选用退火后的金丝，金金连接完成内引线键合；掌握了耐高温胶粘剂的实用配比及固化工艺；自制了耐高温覆铜传引板，定制了含银的高温焊锡丝，选用了耐高温导线作为外导线，完成了耐高温封装的关键部分，该工艺目前在国内高温压力传感器的制作中处于领先地位；

四、选用了恒流源激励，设计了温度补偿电路，首次用对温度求导数的数学方法，推导了热灵敏度漂移

TCS(temperaturecoefficientofsensitivity)补偿计算公式，在生产中得到了TCS、热零点漂移TCO(temperaturecoefficientofoffset)和零点输出

Vos(offsetshiftofvoltage)经验公式，实现了宽温区温度系数补偿，在-20℃～200℃补偿温区内，通过温度循环标定，经补偿后TCS和TCO的值均小于1.0×10-4/℃·FS；非线性误差小于0.1％FS，不重复性和迟滞误差均小于0.05％FS，总精度小于0.2％FS，高、低温时漂均小于0.1mV/8h，获得了量程从0～40MPa、耐温-40～220℃，具有一定抗瞬时高温冲击能力，高精度稳定性佳的压阻式压力传感器，静态技术指标优于同类型KULITE公司产品，实现了低成本化，价格仅其四分之一。产品达到了国际同类产品的先进水平，并低成本化和系列化，使得研究成果产业化、商品化。

五、较为系统地论述了微型压阻式压力传感器TCS和TCO的各种补偿方法，提出了TCS的三极管和集成恒流源的补偿法，从数学的角度提出了定量的补偿公式；在实验中，通过温度周期的调节标定，补偿后灵敏度温度系数绝对值容易达到10×10-6/℃～100×10-6/℃，从而验证了该技术的可行性和实用性。对实验数据的研究后，讨论了技术的局限性并在设计中提出了改进办法，具有实用价值，在生产实践中得到了推广应用，反复考察证明补偿后压力传感器的工作性能是稳定可靠。

六、高温硅压阻式压力传感器因与半导体集成电路平面工艺兼容，符合传感器的发展方向。介绍了SOI晶片的不同制作技术及由此芯片制作的传感器的研究进展，如SOS、SDB、BESOI、SMARTCUT、ELTRAN等技术由此技术加工的芯片封装的高温压力传感器部分特性，对国内此领域的发展作了展望，指出需对芯片的初测数据进行分析反馈，从而使其制作工艺愈加成熟，成品率上升。在结构上，针对各行业需求，通过建模分析，解决与之相对应的处理电路，从而扩大产品使用领域，如取代高温熔体压力传感器等，使产品的标准化和系列化。

8.期刊论文李补莲浅议信息时代的新型传感器-传感器世界2002,8(6)

在当前信息时代,对于传感器的需求量日益增多,同时,其性能要求也越来越高.随着计算机辅助设计技术(CAD)、微机电系统(MEMS)技术、光纤技术、信息理论以及数据分析算法不断迈上新的台阶,传感器系统正朝着微型化、智能化和多功能化的方向发展.本文重点论述这三类传感器的技术现状、功能及发展前景,并穿插介绍了它们在信号探测中的某些成功的应用实例.

9.学位论文许建华基于微型传感器的地震加速度监测系统技术研究2006

我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。为了减轻工程结构造成的地震灾害，必须科学地了解强烈地震动的特征，强震观测是科学了解上述问题的最重要的手段。随着电子技术和计算机应用技术的迅猛发展，地震监测仪器的技术性能也在不断的提高。

目前，测震技术发展的速度很快，传统的电子式测振仪需配上磁电式传感器(亦称拾振器)，才能测量加速度及位移，这种仪器的价格高，体积大。在高新技术推动和强势市场需求牵引下，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制造的各种微传感器和微机电系统(MEMS)脱颖而出。MEMS是英文MicroElectroMechanicalSystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的

21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

本设计就是根据目前微型加速度传感器的发展状况，采用ADI公司于2003年4月23日推出的一款高精度low-g传感器系列新型微机电加速度传感器，设计一套既具有先进性又具有实用性的地震加速度监测系统，完成对地震事件的检测、采集、触发与监控，为地震工程研究和防震减灾工作提供重要的基础资料。

通过实验数据分析了在不同环境下各种噪声对监测仪器的影响，以及对模数转换装置采集地震信号的灵敏度和稳定性进行了分析，并且通过控制中心对接收到的地震数据波形进行了分析和处理。实验结果表明，基于微型加速度传感器的地震加速度监测系统可以稳定工作，例如可以准确的检测、采集到地震信号，通过电力线网络传输方式可以将数据传输到控制中心，控制中心也可以对数据进行存储，对波形进行分析。

研究结果表明，基于微型加速度传感器研制地震加速度监测系统在技术上是可行的，但由于目前国内电力线传输技术发展还不是非常成熟，传输效率仍需要很大的提高，在数据传输方式上还可以有很多选择。在技术方案、软件处理等方面仍需要进一步改进和完善。

10.会议论文刘奎.苑伟政.邓进军.马炳和.姜澄宇典型微型流体壁面剪应力传感器比较研究2005

基于MEMS技术设计制造的传感器在时间和空间分辨率、能量消耗和批量生产方面的优势使得微型壁面剪应力传感器在航空航天领域有很大的发展应用空间.本文通过分析三种典型的基于MEMS技术的用于测量流体壁面剪应力的微型传感器的测量原理、器件结构和器件特性,结合它们各自的设计特点和优缺点,分析总结出三种典型微型壁面剪应力传感器的适用场合和应用前景,为用于流体壁面剪应力测量的性能更好、更合适的微型传感器的开发研究提供参考依据.

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