MEMS器件拓展航空應(yīng)用解析

為了減小其無線收發(fā)器的尺寸、重量以及功耗，美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)開始著手一項開發(fā)MEMS技術(shù)的計劃。在該計劃中，NASA特別關(guān)心就是如何縮小用于有空間約束的太空艙外活動（EVA）俗稱“太空行走”的無線部分的體積。 　　NASA建議，業(yè)界合作伙伴應(yīng)著手開發(fā)可重配的多波段MEMS芯片，以便能夠插入未來頻率靈活的軟件定義無線電設(shè)備中進(jìn)行使用。 　　太空勘探對器件供應(yīng)商提出的規(guī)格指標(biāo)令人生畏，其中包括小尺寸、輕重量、低功率、防輻射、抗振動以及極長的壽命。慶幸的是，這些指標(biāo)似乎與MEMS的定義基本一致，因此研究人員從最早的航天飛機(jī)發(fā)射起就開始使用MEMS。 　　“如果哪次航天飛機(jī)發(fā)射沒有用到我們的MEMS器件，我會感到很驚訝的?！?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬器件公司（ADI）應(yīng)用工程師Harvey Weinberg Sr.表示。 　　任何航空應(yīng)用的市場規(guī)模都很小，因為每年發(fā)射的太空船數(shù)量非常有限，針對航天航空的MEMS市場也不例外。但是從另一方面來說，NASA先行開發(fā)的技術(shù)會慢慢向軍事以及商業(yè)領(lǐng)域延伸。以聚四氟乙烯（Teflon）為例，雖然剛開始被用于航天飛船防火外殼的涂層，后來卻被用于普通消費者的鍋碗瓢盆等廚房用具。但是，這種發(fā)展途徑對MEMS而言卻恰恰相反。 　　“對許多MEMS器件來說，其應(yīng)用最先出現(xiàn)在商業(yè)和軍事領(lǐng)域。”36歲的資深軍事研究員John Vig指出。Vig建議美國國防先進(jìn)技術(shù)研究計劃署（Darpa）實施RF MEMS開發(fā)計劃?！癉arpa有一個非常激進(jìn)的RF MEMS計劃，而且我確信許多Darpa開發(fā)人員也希望向NASA提交相關(guān)建議?！盫ig透露。 　　針對地面汽車應(yīng)用的MEMS規(guī)范，同樣也能滿足太空勘測的要求。畢竟，汽車內(nèi)司機(jī)和乘客的安全與太空飛船中宇航員的安全沒有太大的區(qū)別。而且，汽車應(yīng)用一般要求至少15年的壽命期，這也能很好地滿足外太空探測的長壽命要求。 　　“專門針苛刻環(huán)境（例如汽車、軍事和電信市場）而開發(fā)的MEMS傳感器，在航天應(yīng)用中也已被越來越廣泛地采納。”Garner/Dataquest公司研究半導(dǎo)體制造的副總裁Jim Walker表示。 　　SiTime公司已經(jīng)可以生產(chǎn)頻率高達(dá)125MHz的MEMS晶振，而且正在開發(fā)在同一裸片上集成多個MEMS諧振器的芯片，以期形成實現(xiàn)NASA的超微型軟件定義無線電所需的RF濾波器組。 　　“MEMS是用于太空勘測的理想技術(shù)?！盨iTime公司首席技術(shù)官Aaron Partridge表示，“MEMS技術(shù)可以利用IC基礎(chǔ)架構(gòu)來生產(chǎn)體積非常小、功耗非常低的極端可靠器件，而且對太空中的輻射和極端溫度不敏感?！?　　Discera公司也生產(chǎn)MEMS晶振，目前正在開發(fā)RF MEMS濾波器和其它無線器件。由于與泰科電子（Tyco Electronics）公司M/A-Com業(yè)務(wù)部簽訂合約，Discera公司的MEMS芯片已經(jīng)通過了美國軍方的振動和沖擊免疫性測試。M/A-Com業(yè)務(wù)部在其智能軍需品的無線發(fā)送器中使用了Discera的MOS-1 MEMS晶振。在這次軍品測試中，一些彈頭去掉了彈藥，這樣在發(fā)射出去后可撿回彈殼？？而揀回后發(fā)現(xiàn)Discera的晶振仍在正常工作。 　　“我們的產(chǎn)品通過了軍方的離心機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)50G振動、14，000G沖擊、25，000G加速的測試，達(dá)到了100％的可靠性，每個器件都在指標(biāo)范圍之內(nèi)，只有百萬分之1.4的器件出現(xiàn)了頻率變化?！盌iscera公司首席技術(shù)官Wan-Thai Hsu透露。 　　NASA已經(jīng)開始認(rèn)證用于太空探險的MEMS晶振，并且發(fā)現(xiàn)MEMS晶振可以工作在很寬的溫度范圍下。NASA負(fù)責(zé)極端溫度電子產(chǎn)品的計劃經(jīng)理Richard Patterson，在一篇與ASRC Aerospace公司Ahmad Hammoud合著的內(nèi)部論文“極端溫度下的MEMS硅片晶振”中指出：“MEMS晶振的小尺寸、可靠性和熱穩(wěn)定性使得它們非常適用于太空勘測任務(wù)?！?　　作為航天任務(wù)用MEMS晶振認(rèn)證的第一步，Patterson和Hammoud在極低和極高溫度下測試了SiTime公司提供的現(xiàn)貨MEMS晶振。 　　“NASA拿到的絕對是典型器件，而且坦白地說，我們并沒有設(shè)備來測試太空船可能達(dá)到的那么冷的溫度?！盨iTime公司的Partridge表示。 　　Patterson和Hammoud發(fā)現(xiàn)，SiTime公司的MEMS晶振可以在+100℃到-100℃下正常工作，范圍超過了他們規(guī)定的-40℃到+85℃。另外，MEMS晶振還能在-100℃溫度下冷啟動，在極端溫度范圍內(nèi)的熱循環(huán)期間其性能也沒有什么變化。NASA建議在極端溫度下評估SiTime的MEMS晶振，看是否適合太空勘測任務(wù)。 　　MEMS晶振只是NASA用于太空勘測的最新MEMS器件。MEMS加速計、陀螺儀和其它專用慣性器件在保證宇航員安全和太空船導(dǎo)航系統(tǒng)在軌運行方面發(fā)揮作用已經(jīng)有十多年時間了。 　　與MEMS晶振類似，MEMS慣性器件的最大優(yōu)點在于它們良好的抗震性以及很小的SWAP（NASA對尺寸、重量和功率的簡稱）。 　　“與普通陀螺儀相比，MEMS陀螺儀的體積縮小了幾個數(shù)量級，并且功率也小得多，而且它們具有更好的抗震性和抗電磁脈沖干擾性能。”ADI公司應(yīng)用工程師Adam Champy說，“它們良好的抗震性源于自身很小的體積，其諧振頻率高達(dá)14KHz左右，而普通陀螺儀只有約100Hz，因此普通陀螺儀更容易受到發(fā)射振動的影響?！?　　航天應(yīng)用所使用的MEMS器件在許多方面與其它地面應(yīng)用的要求相同，特別是對可靠性的要求，它們需要像ADI公司用于觸發(fā)安全氣囊的車用加速計一樣的超高可靠性。 　　“與其它類型的慣性傳感技術(shù)相比，MEMS具有超高的可靠性。傳統(tǒng)傳感器有許多要由手表制造商裝配起來的活動部件。”Weinberg說道，“那些大的、笨重的慣性傳感器還需要用于控制器的電路板，極易導(dǎo)致焊點開路和各種其它故障。相反，我們的加速計和陀螺儀使用單片硅替代了全部的復(fù)雜電路。因此沒有太多出錯的機(jī)會?！?　　很多電子器件故障的源頭都是來自它們的互連，NASA表示。因此通過取消電路板互連并將之集成進(jìn)片上電路后，MEMS芯片基本上消除了機(jī)械器件的疲勞源（sources of fatigue）。 　　“當(dāng)硅片在小范圍內(nèi)使用時，幾乎是一種理想的機(jī)械單元?！盬einberg表示，“基本上沒有磨損機(jī)制。有證據(jù)證明，ADI已經(jīng)有3億個MEMS器件投入使用，至今還沒有一個由于磨損而出現(xiàn)問題。” 　　另外，即使在MEMS器件發(fā)生故障時，由于其結(jié)構(gòu)與疲勞無關(guān)，它們通常也都具有內(nèi)置的自檢功能，能幫助地面上的NASA工程師遠(yuǎn)程診斷問題。 　　“人類目前所擁有的、能做或想做的東西中，沒有一個能達(dá)到100％的可靠性，所以我們開發(fā)了MEMS器件，在發(fā)生故障時進(jìn)行通知?！盬einberg說，“我們所有的MEMS器件都內(nèi)置自檢系統(tǒng)，而且覆蓋率很高，這就意味著，只要器件通過了自檢，你就可以相信器件是沒有問題的?！?/p>