《電子技術應用》
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軍用MEMS箭在弦上

2010-07-16

    MEMS(微電子機械系統)融合了微電子與精密機械制作技術,主要包括傳感器、執行器,以及信號處理與控制電路,是系統集成芯片的一個發展方向。MEMS在軍事應用中也有十分廣闊的前景,正成為國防科技發展的一條新途徑。迄今為止,軍事裝備上大量采用MEMS尚不多見,但其研發涉及范圍相當廣泛,軍用MEMS已是箭在弦上。
  射頻元器件:
  射頻介于100KHz至100MHz,但通常指的是100KHz到300GHz的射頻、微波和毫米波的頻率范圍。在射頻應用中,MEMS的研究目標為實現集成在單芯片上的射頻系統。現基于MEMS的開關、濾波器、可變電容、電感器等射頻元器件已取得實質性進展,將在軍用相控陣雷達、無線通信中率先應用。
  射頻MEMS開關的隔離度好,插入損耗低,控制電路功耗低,工作頻帶寬,研制集中在提高開關速度與降低開關的驅動電壓以及材料、結構、封裝、射頻耦合上。已研制出懸臂梁、膜板、橋式、圓形、記憶合金、多極/多擲等MEMS開關,大多數采用靜電驅動機理,其優勢為功耗低,制作上與芯片工藝兼容性好。一靜電MEMS開關所需功率是射頻電路中一只開關二極管的1%,用它組成的移相器的重量和價格大約是同類鐵氧體產品的1/10,適用于有源相控陣雷達。MEMS還可用于變波束天線中,開發可變頻率、多波束特性的天線,一個天線體現多個天線的功能。
  用MEMS中的X射線光刻,電鑄及注塑技術,研制出10和14GHz寬帶耦合高附加值的帶通濾波器,10、12GHz下的最小插損為0.45dB,有望進一步提高無線接收機的濾波性能,多個MEMS濾波器并聯組合可完成開關型接收機的頻帶/頻道選擇。高Q值的MEMS濾波器可用于信號處理。MEMS可變電容器有平板型,叉指型之分,用于替代調諧變容二極管,理論上的截止頻率超過1000GHz,平板型的最大電容為35pF,最小0.5pF,電容值也可在4.0~4.4pF之間變化,叉指型的電容在0.035~0.1pF間線性變化。射頻收發系統中的開關、濾波器、壓控振蕩器、混頻器,雙工器等均可采用對應的MEMS射頻元器件替代,最終達到單片或混合集成目標。
燃料電池
  美國防部估計,2003年需要配置在便攜式軍用電子裝備上的電池應達到1000w.h/kg,到2006年需上升到3100w.h/kg,美特種作戰司令部將更輕、更小且持續時間長的電池作為今后反恐怖作戰所需的新裝備。當今最好的鋰電池也達不到如此要求,因此,國外正研制實用化、高效率的微型燃料電池,以滿足軍用高容量電池的需求。利用MEMS技術研發的微型燃料電池、處理器、超級電容器一體化裝置,已有樣品進行了演示。

  制導彈藥:
  制導彈藥采用的全球定位輔助慣性制導(GPS/INS)的方式成為中段制導的主流技術,在充滿電子干擾的戰場上,只有慣性制導INS具有高隱蔽性,強抗干擾性,信息連續性的可貴軍用特點,雖然其定位誤差隨時間不斷積累漂移,但MEMS慣性器件仍被列為國防關鍵技術予以發展,國外開始小批量生產硅微機械振動陀螺(俗稱芯片陀螺)和硅加速度計構成的MEMS慣性測量裝置,用于近程導彈。美軍阿富汗戰爭投擲的各種彈藥中,55%為GPS/INS精確制導,并采用GPS/INS制導的GBU-37專用侵切彈,鉆地打擊塔利班的地下防護工程,美空、海軍計劃到2015年購買約10萬枚GPS/INS制導的聯合直接攻擊炸彈,俄、法、英等國也在研制INS/GPS加紅外、雷達末段制導的中遠程常規巡航導彈。國外正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高沖擊的MEMS慣性測量裝置,研究在芯片上制造光纖陀螺,企圖在一塊芯片上實現INS,擴展INS應用范圍,為非制導的炮射彈藥(榴彈炮彈,迫擊炮彈,火箭炮彈等)提供廉價一次性的制導和控制,提高彈藥打擊精度。

電子引信:
  電子引信可尋找最佳時刻引爆彈藥,從而摧毀目標,采用MEMS技術能在硅片上制作傳感器、定時器、開關及控制元件,甚至可集成電雷管最核心的部件電橋,最終形成內在質量好,可靠性高,更安全的固態電子引信。美國海軍研制出內含慣性測量單元,氣流和沖擊傳感器、沖擊雷管及發火裝置的MEMS引信原型,其體積僅為以前的1/17,造價減少3/4,已成功地進行了演示。在引信設計中,包括保險裝置在內的MEMS引信的尺寸將縮減到當前引信的10%,所用部件數減少40%,重量至少減輕60%,使引信產生劃時代的變革。

  仿生機器人:
  仿生機器人是借助MEMS技術進行開發的研究、模仿動物或昆蟲的生物形態、結構、習性行為的電子裝置,可執行間諜、竊聽、拍照、目標搜索、毒氣探測、地雷探測等人無法到達或相當危險環境內的任務,甚至可根據需要引爆自身與敵同歸于盡。正開發的仿生機器人項目有仿真的蒼蠅、蝙蝠、蝎子、金槍魚、龍蝦等,根據報道,部分科研成果在今后數年內有可能達到實用水平。

  微飛行器:
  微飛行器MAV集MEMS、航空電子、飛行力學、推進器技術于一體,在戰場前沿用于偵察、電子干擾、搜尋、救援、生化探測等軍事用途。國際上很多科研機構積極從事這一開發,研制出多種MAV的雛形,按其飛行原理分為固定翼、旋翼、撲翼三大類型,同時加速研制的還有微渦輪機、微轉子發動機、微燃氣輪機、控制部件的微動力機電系統。今后數年內的研制目標是MAV的長寬高不超過150mm,重10~120g,續航時間20~60min,巡航速度30~60km/h,有效載荷1~20g,最大飛行距離10km,實現傳輸圖像,可自主飛行。

  微納衛星:
  衛星的微型化,納米化的研究方興未艾,國外正研制重量低于10kg的超微衛星以及重量小于0.1kg的納米衛星。采用MEMS技術,可將常規衛星上的許多部件微型化,例如氣相分析儀、環形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發射機、電動機、執行器等,制作成專用集成微型部件或儀器,甚至在同一芯片上構成芯片級衛星,提高衛星信息獲取和防御能力,降低衛星制作和發射成本。一枚高推力重量比的小型火箭可發射數百顆超微衛星,或采用機動應急發射方式,既單顆廉價快速完成專項任務,也能組成分布式星座或局部星團,完成以往大型衛星的任務。據報道,美、俄70%的軍事情報來源于衛星系統。越來越多的理論與實踐表明,微納衛星組成的星座在遙感、通信、軍事等領域有很好的應用前景。
  國外相繼展開軍用MEMS基礎研究與應用探索,軍用MEMS已不再是一個純技術概念,所涉及到的新原理、新功能、新結構非常多,并包括各種微型傳感器、敵我識別系統、數據存儲系統、微顯示器、小型分析儀、微型火箭、微自適應流體控制機構等具體裝置。隨著MEMS技術的縱深發展,它將在軍事應用中發揮重要作用。

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