申 坤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)及其在航天器上的應(yīng)用展望

申 坤

（北京控制工程研究所，北京l00080）

微機(jī)電系統(tǒng)是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、各種接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)在精度和可靠性方面都有了很大的提高，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。論述了微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)特征、主要技術(shù)和加工工藝，并展望了微機(jī)電系統(tǒng)在航天器上的應(yīng)用前景。

微機(jī)電系統(tǒng)；技術(shù)特征；關(guān)鍵技術(shù)；加工工藝

1 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、各種接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)[l]。其技術(shù)是在微電子和微機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門多學(xué)科交叉技術(shù)，它使用現(xiàn)有批量化的微加工技術(shù)制造出尺寸與集成電路大小相當(dāng)?shù)亩喙δ芪⑾到y(tǒng)。

自二十世紀(jì)九十年代興起以來(lái)，MEMS的生產(chǎn)逐步產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?，在工業(yè)過(guò)程控制、環(huán)境保護(hù)與檢測(cè)、交通運(yùn)輸?shù)让裼妙I(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。隨著MEMS精度和可靠性的提高，被越來(lái)越多地應(yīng)用在航空航天、武器裝備等軍事領(lǐng)域。

本文概述了MEMS的技術(shù)特征、關(guān)鍵技術(shù)和主要的加工工藝，并展望了MEMS在航天器上的應(yīng)用前景。

2 微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)特征

2.1 研究方向多樣化

由于系統(tǒng)是不同功能單元的高度集成，所以MEMS技術(shù)的研究方向日益多樣化，研究范圍涉及到電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程、物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)以及生物等多個(gè)學(xué)科、多個(gè)領(lǐng)域，并匯集了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的尖端成果。

2.2 制造工藝多樣化

受到工藝水平的限制，要實(shí)現(xiàn)MEMS的功能，從設(shè)計(jì)之初就需要與制造工藝緊密結(jié)合。MEMS的制造主要基于兩大技術(shù)：集成電路（IC）技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)。與微電子的平面工藝不同，MEMS更注重三維結(jié)構(gòu)的制造[l]。它有3種主要的加工方法：以美國(guó)為代表的以IC加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基加工方法；以德國(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的LIGA技術(shù)；以日本為代表發(fā)展起來(lái)的超精密加工方法。

2.3 MEMS傳感芯片與信號(hào)處理電路單片集成化

MEMS的材料主要有硅、氧化硅和氮化硅等，硅材料具有良好的機(jī)械性能和電氣性能，與IC加工工藝完全兼容，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電路的集成。所以采用IC生產(chǎn)工藝和加工過(guò)程進(jìn)行生產(chǎn)，一次可制造出成百上千個(gè)微型器件，陣列式的生產(chǎn)使成本大幅度降低，性價(jià)比大幅度提高，利于集成。

2.4 MEMS器件制造與封裝統(tǒng)一考慮

由于MEMS器件已拓展到三維空間，所以不同的器件其制作工藝也多種多樣，封裝技術(shù)必須與相應(yīng)的制造工藝兼容。MEMS產(chǎn)品方面的諸多問(wèn)題，MEMS封裝，完成器件后的劃片、檢測(cè)和后測(cè)試，以及由封裝引起的機(jī)械性能變化、化學(xué)粘污、熱匹配、真空或密閉氣氛對(duì)器件可靠性和重復(fù)性的影響等，從器件研究一開(kāi)始就要同時(shí)考慮，并且一定要與具體工藝相結(jié)合。

3 微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工不同。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工采用的是從零件設(shè)計(jì)一直到最后裝配到系統(tǒng)中的思路，即自下而上的方法。微機(jī)電系統(tǒng)是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)，在通盤考慮的情況下，幾乎同時(shí)將所有的零件、電路和系統(tǒng)都制造出來(lái)，零件和系統(tǒng)緊密的結(jié)合在一起，即一種自上而下的方法。微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行設(shè)計(jì)理論和方法的研究，并注重現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法-計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，CAD是微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工具。CAD設(shè)計(jì)工具包括：器件模擬、系統(tǒng)校核、優(yōu)化、掩膜板設(shè)計(jì)和過(guò)程規(guī)劃等，此外還應(yīng)建立機(jī)械、熱和電氣混合模型，進(jìn)一步還要考慮包括對(duì)物理、化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行綜合的描述和分析。

3.2 微細(xì)加工

MEMS學(xué)科涉及到的加工技術(shù)主要有體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)、高深寬比微加工（LIGA和準(zhǔn)LIGA）技術(shù)以及包括微細(xì)放電加工、能量束加工等特種加工技術(shù)。

3.3 微系統(tǒng)的裝配與封裝

微系統(tǒng)的裝配和封裝是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。目前，生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，主要原因之一是裝配和封裝的成本太高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般MEMS的封裝約占總成本的70%。因此MEMS的封裝要充分借鑒和引用微電子封裝技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，逐步向集成化和低成本的方向發(fā)展?，F(xiàn)在，在微電子封裝中應(yīng)用的倒裝芯片封裝、上下球柵陣列封裝和多芯片模塊封裝已經(jīng)逐漸成為MEMS封裝的主流。

微機(jī)電系統(tǒng)的元件裝配大多數(shù)采用與材料相關(guān)的物理-化學(xué)工藝。傳統(tǒng)的裝配技術(shù)并不適合微裝置，因?yàn)闃?gòu)成元件的尺寸太小，閉合的公差在亞微米級(jí)。此外，宏觀裝配中重力和物理力是主要的考慮因素，而在微裝配中化學(xué)力和靜電力則占主要地位。目前幾乎沒(méi)有相應(yīng)的理論和方法來(lái)處理微裝配的這些問(wèn)題。

3.4 微系統(tǒng)封裝可靠性與檢測(cè)技術(shù)

微系統(tǒng)封裝的可靠性可定義為在給定期限內(nèi)微系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)規(guī)定正常運(yùn)行的概率[l]。保證封裝后的微系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行的主要技術(shù)手段有兩種：一是加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，即在設(shè)計(jì)階段預(yù)先考慮產(chǎn)品的可靠性，通過(guò)研究各種可能的失效模式與失效機(jī)理，選擇合適的材料和改善工藝，可減少乃至消除的失效。二是完善可靠性測(cè)試，即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和封裝完成以后，有針對(duì)性地進(jìn)行可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。由于自身的尺寸在毫米級(jí)以下，故對(duì)其測(cè)量技術(shù)的要求就更高。微系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)涉及材料的性能、電氣機(jī)械性能，微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)參數(shù)和性能測(cè)試等各個(gè)方面，需要在測(cè)量的基礎(chǔ)上，建立微結(jié)構(gòu)材料的數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和力學(xué)模型。

4 微機(jī)電系統(tǒng)的主要加工工藝

MEMS的發(fā)展是與相關(guān)的制造技術(shù)的進(jìn)展分不開(kāi)的，其基礎(chǔ)是微電子集成工藝。微細(xì)加工技術(shù)是在硅微加工方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由于微電子工藝是平面工藝，在加工MEMS三維結(jié)構(gòu)方面有一定的難度，為了實(shí)現(xiàn)高深寬比的三維微細(xì)加工，通過(guò)學(xué)科交叉滲透，已研究開(kāi)發(fā)出了如LIGA和激光加工等方法。

4.1 體微加工技術(shù)（Bu1king Micro Machining）

體微加工技術(shù)是制造微三維結(jié)構(gòu)的一種方法。它按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形從基底（硅片等材料）開(kāi)始，通過(guò)有選擇地去除部分材料，形成懸空、模片和溝、槽等指定的微結(jié)構(gòu)。其主體材料通常為單晶硅片，而材料移走的關(guān)鍵技術(shù)是選擇性化學(xué)蝕刻。根據(jù)使用的蝕刻劑的不同，可分為濕法蝕刻和干法蝕刻；根據(jù)蝕刻特性的不同又可以將之分為各向同性蝕刻和各向異性蝕刻。目前，各向異性腐蝕的研究重點(diǎn)已從腐蝕得到的幾何結(jié)構(gòu)方面轉(zhuǎn)向如何提高腐蝕的精度、均勻性和表面粗糙度以及如何與標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容等問(wèn)題上[2]。

4.2 表面微加工技術(shù)（Surface Micro Machining）

表面微機(jī)械加工技術(shù)是一種利用硅片表面薄膜的沉積和腐蝕（犧牲層技術(shù)）來(lái)制造微機(jī)械裝置的方法。

表面微加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了現(xiàn)有的IC生產(chǎn)工藝，和IC技術(shù)完全兼容，與微電子電路容易集成，結(jié)構(gòu)尺寸比采用體加工技術(shù)要小?，F(xiàn)在已經(jīng)能制造微懸臂梁、微型橋和微型腔等懸式結(jié)構(gòu)，還可制造復(fù)雜的靜電驅(qū)動(dòng)微電機(jī)和各種制動(dòng)器等微結(jié)構(gòu)。但是由于其厚度完全受限于沉積薄膜的厚度，所以制造的基本結(jié)構(gòu)多是二維的[2]。

4.3 LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)起源于德國(guó)，主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄成型和注塑成型3個(gè)工藝步驟。它對(duì)器件的加工寬度可小于lμm，深度可大于l000μm，加工精度可達(dá)0.lμm，被認(rèn)為是能夠產(chǎn)生最佳高縱橫比的微加工技術(shù)。LIGA技術(shù)可以加工多種金屬材料和非金屬材料，這種技術(shù)因?yàn)楣に嚥襟E比較復(fù)雜，與IC工藝不完全兼容，X射線成本昂貴，因此難以普及。而準(zhǔn)LIGA技術(shù)采用紫外光源作為光刻時(shí)的替代光源，加工厚度為數(shù)微米至數(shù)十微米，且與IC工藝兼容性好，因此準(zhǔn)LIGA技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

利用LIGA和準(zhǔn)LIGA工藝，可以加工制造各種三維金屬結(jié)構(gòu)，如微齒輪、微加速度傳感器等，但它們只局限于加工直壁結(jié)構(gòu)的立體，而不能加工任意形狀的三維立體[2]。

5 微機(jī)電系統(tǒng)在航天上的應(yīng)用展望

空間技術(shù)已成為當(dāng)今世界高技術(shù)群中對(duì)現(xiàn)代社會(huì)最具影響力的高技術(shù)之一，不斷發(fā)展和應(yīng)用空間技術(shù)已成為世界各國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。隨著世界上各個(gè)航天大國(guó)對(duì)于空間技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和對(duì)于空間資源依賴程度的不斷提高，要求航天器的性能和功能水平越來(lái)越高，其中航天器的微小型化是今后航天器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

目前微小衛(wèi)星主要分為3類：質(zhì)量l0～l00kg、功耗幾十瓦、直徑30cm的微衛(wèi)星；質(zhì)量l～l0kg、功耗幾瓦、直徑l0cm的納衛(wèi)星和質(zhì)量l kg以下、功耗毫瓦量級(jí)、直徑l～3cm的皮衛(wèi)星。

5.1 MEMS在衛(wèi)星上的應(yīng)用

目前，微小衛(wèi)星的各項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室的原理試驗(yàn)、地面試驗(yàn)階段發(fā)展到飛行驗(yàn)證、飛行應(yīng)用階段。在許多領(lǐng)域，如月球、火星的無(wú)人探測(cè)、微小衛(wèi)星的科學(xué)研究、空間偵察，基于微小衛(wèi)星的組網(wǎng)、編隊(duì)飛行等都有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為航天，尤其是軍事航天帶來(lái)了新的活力，許多天基攻防衛(wèi)星都是用微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。

美國(guó)軍界對(duì)部件和航天器微小型化方面的研究有著濃厚興趣，并最先把微電子、微機(jī)械、微光學(xué)等微技術(shù)和MEMS、MOEMS應(yīng)用于航天領(lǐng)域，其主要途徑是通過(guò)戰(zhàn)略防御倡議辦公室（SDIO）執(zhí)行“智能卵石計(jì)劃”（撥款4l億美元）和國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)發(fā)輕型衛(wèi)星推進(jìn)部件微小型化?！爸悄苈咽庇?jì)劃第三階段就已開(kāi)發(fā)出l6kg航天器——基地動(dòng)能武器（GBI），它的關(guān)鍵器件重量大幅度減少，如推力器（包括l.3N和250N推力器和貯箱）2.6kg、三軸慣性基準(zhǔn)單元0.3kg、采用32位/24MIPS微處理器的星載計(jì)算機(jī)l.4kg、星跟蹤器0.l75kg、紫外和可見(jiàn)光攝像機(jī)0.22kg、激光雷達(dá)僅0.9kg、帶有斯特林致冷器的攝像機(jī)l.0kg、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（采用復(fù)合材料、與貯箱成一體）0.4kg[3]。

小型航天器的發(fā)展必然要求與其相適應(yīng)的控制和推進(jìn)技術(shù)。控制技術(shù)方面，微小型衛(wèi)星，尤其是軍事衛(wèi)星要求有較強(qiáng)的自主導(dǎo)航能力，為滿足自主導(dǎo)航的測(cè)量需求要研制尺寸更小、功耗更低、重量更輕、中等精度以上的微型慣性敏感器；推進(jìn)技術(shù)方面，為滿足小型航天器的發(fā)展必然要求與其相適應(yīng)的微推進(jìn)技術(shù)，除對(duì)小沖量和小推力的要求更為苛刻外，還包括對(duì)重量、體積和功率等的苛刻要求。

對(duì)于微衛(wèi)星，目前的推進(jìn)系統(tǒng)小型化后可以適應(yīng)其工作要求，例如Moog公司制造的4.5mN級(jí)冷氣推力器即可用于微衛(wèi)星的姿態(tài)控制，國(guó)外常用的直徑5～l0cm離子推力器可用于微衛(wèi)星的大ΔV機(jī)動(dòng)等。但對(duì)于納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星而言，要求復(fù)雜的推進(jìn)劑供給系統(tǒng)。當(dāng)前的推進(jìn)系統(tǒng)，無(wú)論是體積還是重量均無(wú)法適應(yīng)其要求。因此從重量和體積方面來(lái)說(shuō)，基于MEMS的推進(jìn)技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，尤其適用于納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星。現(xiàn)在比較適用于微小衛(wèi)星的推進(jìn)技術(shù)是數(shù)字陣列微推力器和微壓力傳感器。

5.2 MEMS在航天上的應(yīng)用前景展望

5.2.l 用于飛行時(shí)間較短的微小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行。

利用MEMS技術(shù)制造出的微小衛(wèi)星，在重量、研制周期、機(jī)動(dòng)性、造價(jià)與發(fā)射成本上具有其它衛(wèi)星不可比擬的優(yōu)勢(shì)?？捎糜诰o急時(shí)刻的快速響應(yīng)，采用一箭多星發(fā)射和子母衛(wèi)星的方式，在衛(wèi)星軌道上形成衛(wèi)星群，以編隊(duì)飛行的形式覆蓋一定的范圍，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的資源與信息共享，可完成立體成像和分布式空間測(cè)量等較復(fù)雜的任務(wù)，微小衛(wèi)星的這些優(yōu)勢(shì)決定其在軍事、商業(yè)、民用等領(lǐng)域必將發(fā)揮重要作用。

5.2.2 應(yīng)用于大型衛(wèi)星已有功能的監(jiān)測(cè)

通常大型衛(wèi)星對(duì)長(zhǎng)壽命、可靠性都有非常高的要求。但由于目前MEMS器件的生產(chǎn)仍受到工藝制造水平的制約，在精度、可靠性等方面還有許多技術(shù)難題亟待解決。若在大型衛(wèi)星中使用MEMS器件，一旦失效，可能會(huì)導(dǎo)致整星的失效，造成較大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的損失。同時(shí)，考慮到MEMS器件與星上其他大型部組件的接口匹配問(wèn)題還存在技術(shù)障礙，故在短時(shí)間內(nèi)尚無(wú)法替代原有的系統(tǒng)或組件。

但是，MEMS在大型衛(wèi)星上并非無(wú)所作為，可以考慮將用MEMS技術(shù)批量化生產(chǎn)出的、在民用產(chǎn)品上已經(jīng)廣泛應(yīng)用的一些慣性器件用于大型衛(wèi)星發(fā)射及在軌期間過(guò)程控制的監(jiān)測(cè)，為星上部組件調(diào)控及地面遙控和星上部件故障的判斷提供技術(shù)依據(jù)，也為提高后續(xù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)水平及持續(xù)改進(jìn)質(zhì)量提供寶貴的資料。

5.2.3 星上用的控制與推進(jìn)系統(tǒng)

MEMS微慣性器件的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括表頭設(shè)計(jì)、接口電路設(shè)計(jì)、器件集成和封裝設(shè)計(jì)等。可根據(jù)技術(shù)水平的逐步提高，分步實(shí)施應(yīng)用。如可先期實(shí)現(xiàn)微慣性器件的準(zhǔn)確安裝和集成、實(shí)現(xiàn)能敏感多軸線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)的微慣性器件的一體化集成。

MEMS壓力傳感器已經(jīng)在民用行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，可以開(kāi)展在衛(wèi)星上推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究和空間環(huán)境適應(yīng)性研究，特別是壓力傳感器與工作氣體和推進(jìn)劑的長(zhǎng)期相容性研究，以及耐空間輻照和電磁相容性研究[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)研究的逐步深入，MEMS的設(shè)計(jì)水平和制造水平在2l世紀(jì)將會(huì)有很大的發(fā)展。同時(shí)隨著精度和可靠性的進(jìn)一步提高，成本會(huì)逐漸降低，MEMS將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[l]金玉豐，王志平，陳兢.微系統(tǒng)封裝技術(shù)概論[M].科學(xué)出版社，2006，206～208

[2]胡雪梅，呂俊霞.微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].機(jī)電設(shè)備，2005，（6）：4l～44

[3]孟松.MEMS等微小型化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[R].中國(guó)空間技術(shù)研究院的發(fā)展策略研究報(bào)告.2007，29，33～34

Techno1ogy of MEMS and App1ications in Spacecraft

SHEN Kun
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

Micro-electro-mechanical system（MEMS）is amicro component or a system which is composed of microstructures，micro sensors，micro actuators and signal processing circuits，control circuits，kinds of interfaces，communication cables，power-supplies.As the science and technology develop，MEMS is improved in precision and reliability，and，therefore，is widely used.This paper presents the technical characteristics，key technologies and the manufacture processes of MEMS，Its applications in spacecraft are also addressed.

MEMS；technical characteristics；key technology；manufacture processes

TP27l.4

A

l674-l579（2008）0l-0056-04

2007-l2-08

申坤（l968-），女，遼寧人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工、精密加工工藝（e-mail：shenkun_2005@sohu.com）。