《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(tǒng))融合了微電子與精密機械制作技術,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(xiàn)集成在單芯片上的射頻系統(tǒng)。現(xiàn)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(zhì)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(shù)采用靜電驅動機理,,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(chǎn)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(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,,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,、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(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(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(zhàn)場上,,只有慣性制導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鍵技術予以發(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)和硅加速度計構成的MEMS慣性測量裝置,,用于近程導彈,。美軍阿富汗戰(zhàn)爭投擲的各種彈藥中,55%為GPS/INS精確制導,,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(lián)合直接攻擊炸彈,,俄、法,、英等國也在研制INS/GPS加紅外,、雷達末段制導的中遠程常規(guī)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(xiàn)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(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,。在引信設計中,,包括保險裝置在內(nèi)的MEMS引信的尺寸將縮減到當前引信的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技術進行開發(fā)的研究,、模仿動物或昆蟲的生物形態(tài)、結構,、習性行為的電子裝置,,可執(zhí)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(huán)境內(nèi)的任務,,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、推進器技術于一體,,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,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,,或采用機動應急發(fā)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(wèi)星的任務。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(tǒng),、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、微顯示器,、小型分析儀,、微型火箭、微自適應流體控制機構等具體裝置,。隨著MEMS技術的縱深發(fā)展,,它將在軍事應用中發(fā)揮重要作用。

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