《军用微系统设计与制造》冯跃，娄文忠，韩炎晖编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《军用微系统设计与制造》

【作　者】冯跃，娄文忠，韩炎晖编

【页 数】 283

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-5682-9331-0

【价 格】78.00

【分 类】武器系统

【参考文献】 冯跃，娄文忠，韩炎晖编. 军用微系统设计与制造. 北京：北京理工大学出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《军用微系统设计与制造》内容提要：

本书按照高等学校兵器科学与技术专业的教学要求编写，强调微系统（MEMS）技术与武器系统的紧密结合，在阐述微系统技术的基础物理理论、典型微纳器件、加工制备工艺和未来发展趋势的基础上，重点介绍微系统技术在军事国防领域的应用。全书共7章，主要内容包括：微系统技术基础、典型微系统原理、典型微传感器技术、典型微执行器技术、典型微能源技术、微系统加工技术、智能MEMS弹药引信技术等。本书既注重基本原理和必要的理论分析，又力求反映最新的科技成果，同时也突出军事上的实用性。本书是针对高等工科院校兵器科学与技术专业本科生和研究生的专业科技课程而编著的，同时也可以作为其他相关专业学生的辅助教材。

《军用微系统设计与制造》内容试读

第1章微系统技术基础

在过去20年中，针对微米和亚微米尺度系统研究展现了爆炸式的增长，技术进步的速度也远远超过了人们对所涉及物理学的理解。以硅基和非硅基加工工艺为代表的一大批新型的加工技术在世界范围内得到了应用和推广，特征尺寸小于100μm的器件和系统先后问世，微系统技术也从实验室研究走向成果落地转化，并广泛应用于航空航天、武器装备、战场医疗等领域。本章主要介绍微系统技术基础，包括微系统定义和内涵、微系统发展和微系统在军事国防中的应用，帮助读者建立对微系统技术和军用微系统的基本认知。

1.1微系统的定义和内涵

1.1.1微系统的定义

微系统(microsystem)也称微机电系统(microelectromechanical systems,MEMS)或微电子机械系统。一般可定义为通过微米加工技术(micromachining或microfabrication)和集成电路(integrated circuits,IC)制造技术，集成微传感器、微执行器、微驱动控制电路微接口电路、微通信电路、微电源器等为一体的微型系统)。图1-1为典型的微系统组成示意图，微传感器将外界信息（声、光、热、力等）转换成电信号并传递给微信号控制处理电路，经过信号转换（包括数/模转换）、处理、分析、决策后，将指令传递给微执行器，微执行器根据指令对外界发生响应、操作、显示或通信等作用。微传感器可以将物理量转化为电学信号，微控制电路可以进行信号转换、放大、计算等处理，微执行器则根据指令自动完成人们所需要的操作，上述过程消耗的电能由微能源器提供，这样就形成具有感知、决策、通信和反应控制能力的智能集成微系统。

力

微能源器

光

运动

微控制电路

声

微传感器

信号处理与存储

微执行器

信息

化学

电能管理与存储

温度

其他

其他

与其他微系统的通信接口

(光电磁)

感测物理量

控制物理量

微系统

图1-1典型的微系统组成示意图

001--

军用微系统设计与制造

微系统的概念通常指上述较为全面的功能集成体，但由于制造能力、集成封装技术等的限制，目前多数微系统只包含微机械结构(microstructures)、微传感器(microsensors)、微执行器(microactuators)、微电子器件(microelectronic devices)中的一种或几种，以及部分

控制处理电路。这种情况下通常用MEMS这一名词来代替微系统，目前MEMS已被世界各

国广泛接受，根据不同的场合，可以指微系统的产品，也可以指设计这种产品的方法学和制造技术手段。

MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米

级。与微机电系统概念相似，但操作尺度更小，在纳米范围的技术被称为纳机电系统(nanoelectromechanical systems,NEMS)。微机电系统在日本被称作微机械(micromachines),在欧洲被称作微系统技术(microsystems technology,MST)。

当前的MMS器件包括用于安全气囊传感器、喷墨打印机头、计算机磁盘执行器读/写

头、投影显示芯片、血压传感器、光学开关、微型阀、生物传感器和许多其他产品的加速度

传感器，这些产品均已大量商业化制造。MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一，它

具有将硅基微电子技术与微加工技术相结合的潜力，从而彻底改变工业和消费类产品。它的技术和基于微系统的设备有可能极大地影响我们所有的生产和生活方式。如果说半导体微制

造是第一次微制造革命，那么MEMS则是第二次革命。

1.1.2微系统的功能及意义

微系统融合机、电、光、磁、生、化等多个领域，具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可批量生产等优点，已经被广泛应用于生物医疗、能源环境、汽车电子、消费电子、无线通信、军事国防、航空航天等领域，并将继续对人类的科学技术、工业生产、能

源化工、军事国防等领域产生深远影响。表1-1为MEMS应用举例2。

表1-1MEMS应用举例

行业

消费电子

医疗

通信

航空航天

汽车

国防

计步器、

安全气

惯性导

囊、车辆动

导弹制导、

MEMS惯性

游戏控制、

传感器（加摄像机图像

运动跟

航、稳定平态控制、导

稳定平台

稳定、硬盘

台、姿态控航系统、主

引信安全与

速度传感器、

踪、起搏器

陀螺仪等)

保护、地震

制、状态监动制导悬

解除保险机

测量

控

架、滚动检构

测

数字微镜

器件投影

光纤通

MEMS光学仪、栅状光

显微光谱信、可变光

激光测

激光测

激光雷达、

阀成像系

仪、自动聚衰减器、光距、太阳敏

器件

距、图像传

激光测距

统、微显示

焦镜片

开关、可调感器

感器

器、自动对

滤波器

焦镜头

波段切换

相控阵雷

MEMS射频

声波滤波

开关、旁路

达的可变波

器件

器

开关、可调

束天线、移

滤波器

相器

002

第1章微系统技术基础

续表

行业

消费电子

医疗

通信

航空航

汽车

国防

芯片实验

喷墨头、

MEMS微流

体器件

芯片冷却系

室、呼吸器、

统

药物泵、微

型针

引信安全

与解除保险

飞行控制

轮胎气压机构、监测

MEMS压力

登山高度

血压测

系统、机舱

监测、油压弹底压力、

传感器件

计、潜水器

量、肾透析

气压控制、监测

战机舱门、

液压系统

氧气罩的结

构监控

发动机进

MEMS流量

药物流量

气口、机舱

喷油量控

传感器件

监测

空气质量监

制

测

2000年以来，MEMS进入高速发展期。全球MEMS产品的销售额从2008年的55亿美元

迅速增长到2017年的118亿美元。根据市场研究机构Yole Development的预估，受智能汽

车、5G、虚拟现实/增强现实、人工智能/机器学习等市场需求推动，到2023年全球MEMS

销售额或将攀升至310亿美元。2016年12月，中国工程院院士、清华大学副校长、教育部科技委国防学部主任尤政院士做了题为“中国制造与传感器技术”的报告，报告中明确指

出传感器与中国制造发展紧密相关，而MEMS传感器作为新材料、新工艺传感器的革命性

进步，必将推动整个传感器行业的发展。最后，尤院士建议将“核心传感器技术”上升为国家“制造强国”“工业强基”战略。

军事领域作为MEMS技术最早应用的领域之一，对推动MEMS的进步和发展起到了至

关重要的作用。早在1992年，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research

Projects Agency,DARPA)就成立了微系统技术办公室(Microsystems Technology Office,

MTO),负责对微处理器、MEMS和光电元器件等微电子产品进行预先战略投资。DARPA把

MEMS技术确认为美国急需发展的新兴技术，在过去的几十年里大力推动电子材料、器件和

系统技术革命性进步，资助了大量MEMS项目，大力发展小型惯性测量系统、微分析系统、

射频传感系统、网络传感系统、战场无人值守传感系统等项目，并应用于单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测、弹药安全与解除保险、弹道修正、子母弹开舱控制、超低功率无线通信信号处理、高密度低功耗的数据存储器件、敌我识别系统等方面，为美国提供了强

大的国防技术和经济优势。MEMS的应用能使武器平台更灵敏、更准确、更具杀伤力，是未

来军用武器装备中的支撑技术和关键技术。在军事领域中迅速推广应用MEMS将是保持军

队技术优势、维护国家安全的重要战略。

1.1.3微系统的特点

MEMS的最大特点是微型化，典型MEMS器件的长度尺寸在1m~1cm)。图1-2

003·---

第1章微系统技术基础

居、合成生物学、微流控、无线通信等新兴领域开拓了广阔的应用空间。

此外，MEMS能迅速发展还在于其低廉的成本和易于批量化生产等特点。MEMS制造工

艺起源于IC制造工艺，大量使用IC制造工艺方法，因此可以像集成电路产品一样大批量并

行制造，且力求与IC技术集成或兼容，易于实现阵列结构和冗余结构。但是，由于MEMS

三维结构多样性和功能复杂性的特点，其制造过程引入了许多新的微加工方法，如深反应离

子蚀刻和键合技术，使MEMS元器件的制造与IC元器件的制造差距增大。因此，MEMS产

品的生产线工艺研发成本较高。

尺寸的缩小赋予了MEMS很多卓越的性能，但也带来了其他问题。在MEMS尺度范畴

内，经典宏观物理定律仍然适用，但是在多物理场耦合、元器件的比表面积（表面积与体积之比)急剧增加的影响下，在宏观状态如范德华力和静电力等可以忽略的作用因素一跃

成为影响微系统功能的主要因素。因此，MEMS并不是宏观系统简单地等比例缩小，而是包

含了新的机理和新的功能。例如，在宏观情况下惯性力控制流体处于湍流，而在微观情况下

黏性力控制流体处于层流，这给微流体的混合带来极大的困难；而MEMS静电马达的工作

原理、结构设计、控制方式都与传统电磁式马达迥异，温度的影响十分显著。

1.2国防需求推动微系统发展

1.2.1微系统的发展历程

MEMS是在20世纪50年代伴随着半导体技术的发展而出现的。以1954年贝尔实验

室(Bell Labs)的Smith研究员发现半导体硅和锗的压阻效应为起点，经过20多年的萌芽状态(20世纪60年代中期到80年代)，在20世纪90年代进入飞速发展时期，到现在形成

了一个强大、有活力、可持续发展的MEMS产学研用体系。

1959年，著名物理学家Richard Feynman在一年一度的美国物理协会的会议上发表了题为There's Plenty of Room at the Bottom:An Invitation to Enter a New Field of Physics的划时代演讲。演讲提出了微型计算机、微型机器的设想，并预言了机理研究和加工工艺会遇到的难

题。这个演讲不仅为今后MEMS的研究指明了方向，还吸引了许多优秀人才加入MEMS研

究中，对MEMS的发展产生了巨大影响。

在萌芽时期，MEMS的主要研究方向是利用硅各向异性蚀刻技术在平面硅衬底上加工出

三维结构以及各种硅微型传感器。例如，在20世纪70年代，国际商业机器公司(International Business Machines Corporation,IBM)开发了隔膜型(diaphragm-type)微型压力传感器，利用硅微加工技术得到嵌有压阻传感器的薄隔膜[图1-3()]。当隔膜上下存在压力差时，隔膜会产生机械应力，用压阻传感器检测这种应力就可以计算出压力差。图1-3(b)则展示的是1979年惠·普公司(Hewlett-Packard Company,HP)发明的基于硅微加工技术的热喷墨打印机喷嘴。该打印机墨盒由一系列微小的喷嘴组成，每个喷嘴的腔室内均包含一个加热器。在热喷墨过程中，电流脉冲通过加热元件，使腔室内的墨水迅速汽化并形成气泡，从而将一小滴墨水推到纸张上，并且油墨的表面张力以及气泡的凝结和收

缩，使得墨盒中墨水被带人腔室。尽管这个时期MEMS的主要产品只有压力传感器和打印

机喷头，但多种MEMS元器件的原型如光学MEMS和微流体MEMS已经开始出现。

005·--

军用微系统设计与制造

压力1

电阻

一硅薄膜

墨滴

气泡

接触点、

孔板

光成像聚合物

薄膜导体

薄膜电阻

硅基底

压力2

油墨

(a)

(b)

图1-3MEMS压力传感器和打印机喷嘴

(a)MEMS压力传感器；(b)MEMS打印机喷嘴

20世纪80年代，MEMS隐隐有崛起的势头。美国犹他大学(The University of Utah,UofU)工程设计中心在1986年提交给DARPA的提案中首先引入“微机电系统”一词。在这

个时期，MEMS快速发展，世界各国相继开始着手研究MEMS,基础理论与设计方法的研究

不断深入、制造技术不断涌现与完善、新的器件不断开发、应用领域不断扩展。1982年，IBM的Petersen研究员发表了有关硅力学性能和蚀刻数据的重要论文Silicon as a Mechanical

Material,.使硅成为搭建MEMS最常使用的材料。1986年，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MT)的Howe教授等人完善了硅微加工牺牲层技术，

从而制作出复杂的MEMS传感器（桥式共振蒸汽传感器），揭开了使用牺牲层进行硅表面微

加工的序幕。1989年，UCB的Muller教授团队首次研究出基于硅表面微加工的静电马达(图1-4)。该静电马达的转子直径为60um,厚度为1m,在350V三相交流电的驱动下，最高转速可达500r/min。在20世纪80年代后期，国内清华大学、北京大学、复旦大学、南京工学院（现东南大学）、中国科学院上海冶金研究所（现中国科学院上海微系统与信息

技术研究所)和中国科学院电子学研究所也相继开展MEMS的研究。

33KV

18nW025

图1-4MEMS静电马达

进入20世纪90年代，全球MEMS研究进入一个突飞猛进、日新月异的高速发展时期。

世界各国投人大量研究资金，与MEMS相关的原理、材料、设计、仿真、加工、集成的研

究更加深入，同时MEMS开始大量应用于航空航天、航海、国防、汽车、医疗、通信等领

域。例如，ADI推出的ADXL系列单轴、双轴、三轴加速度传感器广泛应用于汽车电子行

业。如图1-5所示，该MEMS加速度传感器的敏感单元是由4根悬臂梁支撑的、单自由度

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···试读结束···