军用MEMS箭在弦上

    MEMS(微电子机械系统)融合了微电子与精密机械制作技术，主要包括传感器、执行器，以及信号处理与控制电路，是系统集成芯片的一个发展方向。MEMS在军事应用中也有十分广阔的前景，正成为国防科技发展的一条新途径。迄今为止，军事装备上大量采用MEMS尚不多见，但其研发涉及范围相当广泛，军用MEMS已是箭在弦上。
　　射频元器件：
　　射频介于100KHz至100MHz，但通常指的是100KHz到300GHz的射频、微波和毫米波的频率范围。在射频应用中，MEMS的研究目标为实现集成在单芯片上的射频系统。现基于MEMS的开关、滤波器、可变电容、电感器等射频元器件已取得实质性进展，将在军用相控阵雷达、无线通信中率先应用。
　　射频MEMS开关的隔离度好，插入损耗低，控制电路功耗低，工作频带宽，研制集中在提高开关速度与降低开关的驱动电压以及材料、结构、封装、射频耦合上。已研制出悬臂梁、膜板、桥式、圆形、记忆合金、多极/多掷等MEMS开关，大多数采用静电驱动机理，其优势为功耗低，制作上与芯片工艺兼容性好。一静电MEMS开关所需功率是射频电路中一只开关二极管的1%，用它组成的移相器的重量和价格大约是同类铁氧体产品的1/10，适用于有源相控阵雷达。MEMS还可用于变波束天线中，开发可变频率、多波束特性的天线，一个天线体现多个天线的功能。
　　用MEMS中的X射线光刻，电铸及注塑技术，研制出10和14GHz宽带耦合高附加值的带通滤波器，10、12GHz下的最小插损为0.45dB，有望进一步提高无线接收机的滤波性能，多个MEMS滤波器并联组合可完成开关型接收机的频带/频道选择。高Q值的MEMS滤波器可用于信号处理。MEMS可变电容器有平板型，叉指型之分，用于替代调谐变容二极管，理论上的截止频率超过1000GHz，平板型的最大电容为35pF，最小0.5pF，电容值也可在4.0~4.4pF之间变化，叉指型的电容在0.035~0.1pF间线性变化。射频收发系统中的开关、滤波器、压控振荡器、混频器，双工器等均可采用对应的MEMS射频元器件替代，最终达到单片或混合集成目标。
燃料电池
　　美国防部估计，2003年需要配置在便携式军用电子装备上的电池应达到1000w.h/kg，到2006年需上升到3100w.h/kg，美特种作战司令部将更轻、更小且持续时间长的电池作为今后反恐怖作战所需的新装备。当今最好的锂电池也达不到如此要求，因此，国外正研制实用化、高效率的微型燃料电池，以满足军用高容量电池的需求。利用MEMS技术研发的微型燃料电池、处理器、超级电容器一体化装置，已有样品进行了演示。

　　制导弹药：
　　制导弹药采用的全球定位辅助惯性制导(GPS/INS)的方式成为中段制导的主流技术，在充满电子干扰的战场上，只有惯性制导INS具有高隐蔽性，强抗干扰性，信息连续性的可贵军用特点，虽然其定位误差随时间不断积累漂移，但MEMS惯性器件仍被列为国防关键技术予以发展，国外开始小批量生产硅微机械振动陀螺(俗称芯片陀螺)和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置，用于近程导弹。美军阿富汗战争投掷的各种弹药中，55%为GPS/INS精确制导，并采用GPS/INS制导的GBU-37专用侵切弹，钻地打击塔利班的地下防护工程，美空、海军计划到2015年购买约10万枚GPS/INS制导的联合直接攻击炸弹，俄、法、英等国也在研制INS/GPS加红外、雷达末段制导的中远程常规巡航导弹。国外正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高冲击的MEMS惯性测量装置，研究在芯片上制造光纤陀螺，企图在一块芯片上实现INS，扩展INS应用范围，为非制导的炮射弹药(榴弹炮弹，迫击炮弹，火箭炮弹等)提供廉价一次性的制导和控制，提高弹药打击精度。

电子引信：
　　电子引信可寻找最佳时刻引爆弹药，从而摧毁目标，采用MEMS技术能在硅片上制作传感器、定时器、开关及控制元件，甚至可集成电雷管最核心的部件电桥，最终形成内在质量好，可靠性高，更安全的固态电子引信。美国海军研制出内含惯性测量单元，气流和冲击传感器、冲击雷管及发火装置的MEMS引信原型，其体积仅为以前的1/17，造价减少3/4，已成功地进行了演示。在引信设计中，包括保险装置在内的MEMS引信的尺寸将缩减到当前引信的10%，所用部件数减少40%，重量至少减轻60%，使引信产生划时代的变革。

　　仿生机器人：
　　仿生机器人是借助MEMS技术进行开发的研究、模仿动物或昆虫的生物形态、结构、习性行为的电子装置，可执行间谍、窃听、拍照、目标搜索、毒气探测、地雷探测等人无法到达或相当危险环境内的任务，甚至可根据需要引爆自身与敌同归于尽。正开发的仿生机器人项目有仿真的苍蝇、蝙蝠、蝎子、金枪鱼、龙虾等，根据报道，部分科研成果在今后数年内有可能达到实用水平。

　　微飞行器：
　　微飞行器MAV集MEMS、航空电子、飞行力学、推进器技术于一体，在战场前沿用于侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等军事用途。国际上很多科研机构积极从事这一开发，研制出多种MAV的雏形，按其飞行原理分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型，同时加速研制的还有微涡轮机、微转子发动机、微燃气轮机、控制部件的微动力机电系统。今后数年内的研制目标是MAV的长宽高不超过150mm，重10~120g，续航时间20~60min，巡航速度30~60km/h，有效载荷1~20g，最大飞行距离10km，实现传输图像，可自主飞行。

　　微纳卫星：
　　卫星的微型化，纳米化的研究方兴未艾，国外正研制重量低于10kg的超微卫星以及重量小于0.1kg的纳米卫星。采用MEMS技术，可将常规卫星上的许多部件微型化，例如气相分析仪、环形激光光纤陀螺、图像传感器、微波收发射机、电动机、执行器等，制作成专用集成微型部件或仪器，甚至在同一芯片上构成芯片级卫星，提高卫星信息获取和防御能力，降低卫星制作和发射成本。一枚高推力重量比的小型火箭可发射数百颗超微卫星，或采用机动应急发射方式，既单颗廉价快速完成专项任务，也能组成分布式星座或局部星团，完成以往大型卫星的任务。据报道，美、俄70%的军事情报来源于卫星系统。越来越多的理论与实践表明，微纳卫星组成的星座在遥感、通信、军事等领域有很好的应用前景。
　　国外相继展开军用MEMS基础研究与应用探索，军用MEMS已不再是一个纯技术概念，所涉及到的新原理、新功能、新结构非常多，并包括各种微型传感器、敌我识别系统、数据存储系统、微显示器、小型分析仪、微型火箭、微自适应流体控制机构等具体装置。随着MEMS技术的纵深发展，它将在军事应用中发挥重要作用。