《電子技術(shù)應(yīng)用》
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軍用MEMS箭在弦上

2010-07-16

    MEMS(微電子機械系統(tǒng))融合了微電子與精密機械制作技術(shù),主要包括傳感器、執(zhí)行器,以及信號處理與控制電路,是系統(tǒng)集成芯片的一個發(fā)展方向。MEMS在軍事應(yīng)用中也有十分廣闊的前景,正成為國防科技發(fā)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(fā)涉及范圍相當(dāng)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(yīng)用中,MEMS的研究目標(biāo)為實現(xiàn)集成在單芯片上的射頻系統(tǒng)。現(xiàn)基于MEMS的開關(guān)、濾波器、可變電容、電感器等射頻元器件已取得實質(zhì)性進展,將在軍用相控陣?yán)走_、無線通信中率先應(yīng)用。
  射頻MEMS開關(guān)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(guān)速度與降低開關(guān)的驅(qū)動電壓以及材料、結(jié)構(gòu)、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(guān),大多數(shù)采用靜電驅(qū)動機理,其優(yōu)勢為功耗低,制作上與芯片工藝兼容性好。一靜電MEMS開關(guān)所需功率是射頻電路中一只開關(guān)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(chǎn)品的1/10,適用于有源相控陣?yán)走_。MEMS還可用于變波束天線中,開發(fā)可變頻率、多波束特性的天線,一個天線體現(xiàn)多個天線的功能。
  用MEMS中的X射線光刻,電鑄及注塑技術(shù),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(lián)組合可完成開關(guān)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(diào)諧變?nèi)荻O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(fā)系統(tǒng)中的開關(guān)、濾波器、壓控振蕩器、混頻器,雙工器等均可采用對應(yīng)的MEMS射頻元器件替代,最終達到單片或混合集成目標(biāo)。
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(yīng)達到1000w.h/kg,到2006年需上升到3100w.h/kg,美特種作戰(zhàn)司令部將更輕、更小且持續(xù)時間長的電池作為今后反恐怖作戰(zhàn)所需的新裝備。當(dāng)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(shù)研發(fā)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(dǎo)彈藥:
  制導(dǎo)彈藥采用的全球定位輔助慣性制導(dǎo)(GPS/INS)的方式成為中段制導(dǎo)的主流技術(shù),在充滿電子干擾的戰(zhàn)場上,只有慣性制導(dǎo)INS具有高隱蔽性,強抗干擾性,信息連續(xù)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(guān)鍵技術(shù)予以發(fā)展,國外開始小批量生產(chǎn)硅微機械振動陀螺(俗稱芯片陀螺)和硅加速度計構(gòu)成的MEMS慣性測量裝置,用于近程導(dǎo)彈。美軍阿富汗戰(zhàn)爭投擲的各種彈藥中,55%為GPS/INS精確制導(dǎo),并采用GPS/INS制導(dǎo)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(dǎo)的聯(lián)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(dǎo)的中遠程常規(guī)巡航導(dǎo)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(xiàn)INS,擴展INS應(yīng)用范圍,為非制導(dǎo)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(dǎo)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(biāo),采用MEMS技術(shù)能在硅片上制作傳感器、定時器、開關(guān)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(nèi)在質(zhì)量好,可靠性高,更安全的固態(tài)電子引信。美國海軍研制出內(nèi)含慣性測量單元,氣流和沖擊傳感器、沖擊雷管及發(fā)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(shè)計中,包括保險裝置在內(nèi)的MEMS引信的尺寸將縮減到當(dāng)前引信的10%,所用部件數(shù)減少40%,重量至少減輕60%,使引信產(chǎn)生劃時代的變革。

  仿生機器人:
  仿生機器人是借助MEMS技術(shù)進行開發(fā)的研究、模仿動物或昆蟲的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、習(xí)性行為的電子裝置,可執(zhí)行間諜、竊聽、拍照、目標(biāo)搜索、毒氣探測、地雷探測等人無法到達或相當(dāng)危險環(huán)境內(nèi)的任務(wù),甚至可根據(jù)需要引爆自身與敵同歸于盡。正開發(fā)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(jù)報道,部分科研成果在今后數(shù)年內(nèi)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(xué)、推進器技術(shù)于一體,在戰(zhàn)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(gòu)積極從事這一開發(fā),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(zhuǎn)子發(fā)動機、微燃氣輪機、控制部件的微動力機電系統(tǒng)。今后數(shù)年內(nèi)的研制目標(biāo)是MAV的長寬高不超過150mm,重10~120g,續(xù)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(xiàn)傳輸圖像,可自主飛行。

  微納衛(wèi)星:
  衛(wèi)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(wèi)星以及重量小于0.1kg的納米衛(wèi)星。采用MEMS技術(shù),可將常規(guī)衛(wèi)星上的許多部件微型化,例如氣相分析儀、環(huán)形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發(fā)射機、電動機、執(zhí)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(gòu)成芯片級衛(wèi)星,提高衛(wèi)星信息獲取和防御能力,降低衛(wèi)星制作和發(fā)射成本。一枚高推力重量比的小型火箭可發(fā)射數(shù)百顆超微衛(wèi)星,或采用機動應(yīng)急發(fā)射方式,既單顆廉價快速完成專項任務(wù),也能組成分布式星座或局部星團,完成以往大型衛(wèi)星的任務(wù)。據(jù)報道,美、俄70%的軍事情報來源于衛(wèi)星系統(tǒng)。越來越多的理論與實踐表明,微納衛(wèi)星組成的星座在遙感、通信、軍事等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
  國外相繼展開軍用MEMS基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索,軍用MEMS已不再是一個純技術(shù)概念,所涉及到的新原理、新功能、新結(jié)構(gòu)非常多,并包括各種微型傳感器、敵我識別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、微顯示器、小型分析儀、微型火箭、微自適應(yīng)流體控制機構(gòu)等具體裝置。隨著MEMS技術(shù)的縱深發(fā)展,它將在軍事應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

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