MEMS技术的发展及其在航天领域的应用

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:即小尺寸(miniaturization)、多样化(multiplicity)、微电子(microelectronics)。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。

一、MEMS概念与特点

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。MEMS在不同的国家其名称也有所不同,在日本称为微机械(Micromachine),在欧洲称为微系统技术MST(MicrosystemsTechnology),在英国称微工程(Micro-engineering)。

MEMS的基本特点:

  • 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;

  • 以硅为主要材料,机械电气性能优良,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似于铝,热传导率接近钼和钨;

  • 用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS,批量生产可大大降低生产成本;

  • 集成化性能优越,能在极小的空间里实现多种功能,可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体,形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统;

  • 多学科交叉,MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等学科,并集约了当今科学发展的许多尖端成果。

二、MEMS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,也可以说,MEMS技术的主要需求牵引来自于航天领域。MEMS技术在航天领域应用优势:①极小的质量和体积:低发射质量;②低功耗:大部分器件2处于电静态;③小的热常数:可用较低功率来维持温度;④抗震动、抗冲击和抗辐射:机械装置,如开关,可以抗辐射加固;低惯性质量使MEMS可抗震动/冲击;⑤高集成度:在一个芯片上集成了多种功能,大大简化了系统的结构;⑥批量制造:低成本,大批量生产。因此,对航天工业的技术进步有着重大的推动作用。

三、MEMS技术的空间应用

由于MEMS具有的优势,使得MEMS技术可在空间进行广泛的应用(见表1),其应用范围如下。

MEMS技术的发展及其在航天领域的应用



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