這個小東西將引發航空器件革命？

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首先給大家解釋一下什麼是MEMS。

Micro-Electro-MechanicalSystem, 這個讓老美念起來都繞口的詞，中文叫做「微電子機械系統」。

它是集成了微型傳感器、信息處理及信號控制電路、微電源、微機械和外圍封裝實體結構以及各種數據接口和通信單元於一體的微型智能器件或系統。

MEMS是一個獨立的智能系統，廣泛應用於航空科技產業，是一項關係到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。

讓我們主要看看這項技術是如何成為「航空科技新秀」的吧！

微小尺寸的MEMS產品

一揭秘MEMS的誕生與發展

MEMS的神奇之處在於它的起源，傳統電子機械工藝製成的驅動器和傳感器在體積、價格、產能上無法適應電子消費、工業界、科學研究乃至軍工的需求。

上世紀80年代末，隨著集成電路工業的迅速發展，把驅動器和傳感器和集成電路晶片集成在一起，就成為了科技發展的必然趨勢，促成了MEMS的誕生。

傳統的Northrop Grumman軍用半球形陀螺儀

在航空製造領域，實用意義上的MEMS商業化發展始於上世紀末，正值無線通信技術開始成熟；MEMS依託於集成電路微細加工工藝和超精密機械加工技術的不斷進步與有效融合。

在21世紀，MEMS將逐步從實驗室走向實用化，對空間技術、國防和科學發展產生重大影響。

人們不僅要開發各種製造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS技術與航空航天應用領域相結合，製作出符合各領域要求的微傳感器、微執行器、微結構等MEMS器件與系統。

慣性測量單元MEMS技術陀螺儀

近幾代MEMS技術能夠為航空電子設備提供高度可靠的性能，並大幅改善尺寸、重量、功耗（SWAP）與成本。

MEMS發展的目標在於，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統，開闢一個新技術領域和產業。

MEMS可以完成大尺寸電子機械系統所不能完成的任務，也可嵌入大尺寸系統中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。

軍用/航空領域的MEMS壓力傳感器

在航空電子行業以及其它同樣具有高要求的應用中，基於上一代MEMS或其它慣性技術的傳統解決方案在滿足性能目標方面有目共睹。

然而，這些技術在降低成本和其它經濟實用性方面卻未取得重大突破。

新一代的航空電子系統承受著改善這些情況的壓力，使設備製造商面臨著需在無更優技術可選的情況下完成開發目標的挑戰。

航空電子設備集成商目前所面對的是一個重大的兩難處境，即維持性能不變的同時改善SWAP/成本。

二解析MEMS產品的製造技術

微電子機械系統(MEMS)產品的製造技術涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科知識的有機交叉與融合。

大部分集成電路和MEMS的原材料是矽(Si)，這個神奇的VI族元素可以從二氧化矽中大量提取出來。

而二氧化矽是什麼？說的通俗一點，就是沙子。

沙子君在經歷了一系列複雜的加工過程之後，就變成了單晶矽，長下面這個樣子。

MEMS的原材料單晶矽

微電子機械系統的製造方法包括LIGA工藝（光刻、電鍍成形、鑄塑)、聲雷射刻蝕、非平面電子束光刻、真空鍍膜（濺射）、矽直接鍵合、電火花加工、金剛石微量切削加工。

目前，國際上比較重視的微型機電系統的製造技術有：犧牲層矽工藝、體微切削加工技術和LIGA工藝等，新的微型機械加工方法還在不斷湧現，這些方法包括多晶矽的熔煉和聲雷射刻蝕等。

微米/納米級MEMS製造技術模型

MEMS驅動器和傳感器大部分都含有微機械機構。

試想一下，我們要檢測一個一微米長的彈簧移動了一納米（微米尺度的懸臂樑在納米尺度的範圍內移動），這種加工精度在傳統機械加工工藝上面是難以實現的。

正因為有了MEMS技術，現在我們可以使數以萬計的MEMS晶片（有些工藝也會把集成電路晶片放在同一步驟加工）出現在了每一片wafer上面，如下圖所示。

批量生產的MEMS晶片

這種批量生產（batchprocess）的過程目前已經全自動化控制，隔離了人為因素，確保了每一個MEMS晶片之間的工藝誤差可以得到嚴格的控制，從而提高了良品率。

切片、封裝之後，就成為了一個個的MEMS晶片。

從外觀上來看，大部分的MEMS晶片和集成電路晶片是差不多的。

三MEMS技術在航空領域的應用

MEMS技術中涉及航天領域的應用主要有：射頻MEMS、熱控MEMS、慣性MEMS、MEMS微推進和光學MEMS。

深空探測器、小衛星、微衛星和納衛星對以上MEMS技術需求強烈。

幾種MEMS產品的應用發展情況如下。

(1)射頻MEMS可用於太空飛行器通信載荷和平台射頻部件，主要產品有射頻開關、射頻濾波器、射頻移相器、射頻諧振器等，目前處於產品開發階段，已開始搭載試驗。

NASA格倫研究中心設計的一款製作在高阻抗矽上的射頻MEMS開關，在NASA相控陣天線中得到應用；2000年2月美國在一對「繩系MEMS」皮衛星上用微波開關進行了切換無線電頻率的試驗。

「微電子機械系統皮納衛星」(MEMS Picosat)是美國國防高級研究計劃局(DARPA)支持研製的、單星質量250g的一對皮衛星，共發射了兩次。

其中第一次於2000年1月由「蛋白石」衛星在軌釋放了6顆皮衛星，其中包括完全相同的微電子機械系統（MEMS-1A、B）衛星，單星質量僅250g，用於微電子機械系統射頻開關的空間考核試驗及雷達能力驗證。

「蛋白石」衛星

(2)熱控MEMS包括MEMS主動熱控器件、微型節流製冷器(MMR)等，可用於小微型衛星和深空探測器的熱控系統。

其產品主要包括微型百葉窗、微泵、微型熱開關、微型閥門、微型傳感器、微型熱管等。

2004年通過空間技術5(ST-5)d型技術驗證衛星，驗證了基於MEMS的可變發射率塗層、百葉窗、熱開關等；美國海軍研究院等開發的基於靜電式熱開關的輻射器也在開展空間試驗；噴氣推進實驗室也在致力於輻射器熱開關設計的改進和完善。

美泰公司是國際一流的MEMS產品供應商，公司自主研發和生產各種MEMS晶片，產品廣泛應用於航空航天、通訊、工業控制和物聯網等行業。

美泰MEMS晶片微系統應用於無人機

(3)慣性MEMS主要包括微機械加速度計、微機械陀螺儀和微慣性測量組合(MIMU)，由於精度普遍較低，目前主要用於小微、皮納衛星及深空探測器的控制系統。

法國馬特拉(MATRA)公司在我國返回式衛星上搭載了矽微型加速度計；日本東京工業大學研發的Cute-1微衛星，採用4片MEMS陀螺和4片MEMS雙軸加速度計構成冗餘姿態測量裝置，驗證了姿態測量功能；台灣大學研發的PACE納衛星，姿態測量裝置由三軸微磁強計、MEMS微陀螺、太陽粗測敏感器組成，檢驗了自主研發的MEMS傳感器空間適用性。

MEMS組合傳感器

(4)MEMS微推進主要包括電推進和化學推進兩大類：微型電推進器分為電熱式、靜電式和電磁式；化學推進器多為固體推進器，採用數字陣列微結構。

MEMS微型電推進系統已在「21世紀技術衛星」星座上進行了試驗，微冷氣化學推進系統也在ST-5衛星上進行了應用驗證，兩者的質量均為0.5 kg，證明了MEMS微推進系統用在小微衛星上的可行性。

長征十一號運載火箭成功將四顆衛星送入預定軌道，其中3顆立方體試驗衛星(上科大二號STU-2)由中國科學院上海微小衛星工程中心研製。

上科大二號包含三顆立方星(STU-2A，STU-2B，STU-2C)

3顆立方星均搭載自組網通信機，利用3顆星建立空間最小網絡，實現立方星級別的星間通信組網。

STU-2A星在國際上首次搭載了MEMS冷氣微推進器，將開展立方星編隊繞飛等新技術在軌驗證。

上科大二號立方體試驗衛星空間組網

STU-2立方星還搭載驗證晶片級北斗/GPS雙模接收機、MEMS磁強計、多軸敏感器、小型星敏感器等單機產品，促進中國微納型化衛星單機技術的發展。

上科大二號的成功發射促進了科研與教育的緊密結合，標誌著中國在皮納衛星研製和產學研結合的創新平台上邁出了與國際接軌的重要一步，開拓了中國航天產業的新格局。

(5)光學MEMS也稱為微光電子機械系統(MOEMS)，可用於遙感載荷和光通信技術。

其產品主要分為基於MOEMS的新型顯示/投影設備、光通信器件和光學儀器，後兩類有很好的空間應用前景。

美國勞倫斯·利弗奠爾實驗室為「智能卵石」(Brilliant Pebbles)計劃研製的寬視場星跟蹤器，採用了微球形透鏡技術，在「克萊門汀」(Clementine)探測器上進行了搭載試驗。

「智能卵石」系統

美國麻省理工學院分布式機器人實驗室（DRL）的一個團隊已經演示了一個雛形。

他們運用的智能模塊為1厘米見方，稱不上砂子，只能說是「智能卵石」。

「智能砂」自動鑄形：將對象自動複製

許多重構機器人的方法採用的都是加法，這可以比擬為堆砌LEGO積木；而智能卵石使用的是減法，可以比作在石頭上雕琢。

科學家的這種做法聽起來像哈利·波特小說，或是科幻電影的場面，眼下已然成為現實！

四MEMS未來展望一片美好

隨著科技的不斷進步與發展，航空航天系統對其部件的要求不斷提高，特別是小型化、智能化和集成化，作為「航空科技新秀」的MEMS技術未來展望必然一片美好，小系統有大智慧啊！基於MEMS技術的各類器件將繼續發揮其微小、精確、高可靠性且高度智能化的特點，擴大其在航空航天領域的應用。

可以預見在未來十幾年，MEMS將替代系統現有的器件，引起一場更輕、更小、性能更強的器件革命。

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