MEMS器件拓展航空应用解析

为了减小其无线收发器的尺寸、重量以及功耗，美国国家航空航天局（NASA）已经开始着手一项开发MEMS技术的计划。在该计划中，NASA特别关心就是如何缩小用于有空间约束的太空舱外活动（EVA）俗称“太空行走”的无线部分的体积。 　　NASA建议，业界合作伙伴应着手开发可重配的多波段MEMS芯片，以便能够插入未来频率灵活的软件定义无线电设备中进行使用。 　　太空勘探对器件供应商提出的规格指标令人生畏，其中包括小尺寸、轻重量、低功率、防辐射、抗振动以及极长的寿命。庆幸的是，这些指标似乎与MEMS的定义基本一致，因此研究人员从最早的航天飞机发射起就开始使用MEMS。 　　“如果哪次航天飞机发射没有用到我们的MEMS器件，我会感到很惊讶的。”模拟器件公司（ADI）应用工程师Harvey Weinberg Sr.表示。 　　任何航空应用的市场规模都很小，因为每年发射的太空船数量非常有限，针对航天航空的MEMS市场也不例外。但是从另一方面来说，NASA先行开发的技术会慢慢向军事以及商业领域延伸。以聚四氟乙烯（Teflon）为例，虽然刚开始被用于航天飞船防火外壳的涂层，后来却被用于普通消费者的锅碗瓢盆等厨房用具。但是，这种发展途径对MEMS而言却恰恰相反。 　　“对许多MEMS器件来说，其应用最先出现在商业和军事领域。”36岁的资深军事研究员John Vig指出。Vig建议美国国防先进技术研究计划署（Darpa）实施RF MEMS开发计划。“Darpa有一个非常激进的RF MEMS计划，而且我确信许多Darpa开发人员也希望向NASA提交相关建议。”Vig透露。 　　针对地面汽车应用的MEMS规范，同样也能满足太空勘测的要求。毕竟，汽车内司机和乘客的安全与太空飞船中宇航员的安全没有太大的区别。而且，汽车应用一般要求至少15年的寿命期，这也能很好地满足外太空探测的长寿命要求。 　　“专门针苛刻环境（例如汽车、军事和电信市场）而开发的MEMS传感器，在航天应用中也已被越来越广泛地采纳。”Garner/Dataquest公司研究半导体制造的副总裁Jim Walker表示。 　　SiTime公司已经可以生产频率高达125MHz的MEMS晶振，而且正在开发在同一裸片上集成多个MEMS谐振器的芯片，以期形成实现NASA的超微型软件定义无线电所需的RF滤波器组。 　　“MEMS是用于太空勘测的理想技术。”SiTime公司首席技术官Aaron Partridge表示，“MEMS技术可以利用IC基础架构来生产体积非常小、功耗非常低的极端可靠器件，而且对太空中的辐射和极端温度不敏感。” 　　Discera公司也生产MEMS晶振，目前正在开发RF MEMS滤波器和其它无线器件。由于与泰科电子（Tyco Electronics）公司M/A-Com业务部签订合约，Discera公司的MEMS芯片已经通过了美国军方的振动和冲击免疫性测试。M/A-Com业务部在其智能军需品的无线发送器中使用了Discera的MOS-1 MEMS晶振。在这次军品测试中，一些弹头去掉了弹药，这样在发射出去后可捡回弹壳？？而拣回后发现Discera的晶振仍在正常工作。 　　“我们的产品通过了军方的离心机产生的高达50G振动、14，000G冲击、25，000G加速的测试，达到了100％的可靠性，每个器件都在指标范围之内，只有百万分之1.4的器件出现了频率变化。”Discera公司首席技术官Wan-Thai Hsu透露。 　　NASA已经开始认证用于太空探险的MEMS晶振，并且发现MEMS晶振可以工作在很宽的温度范围下。NASA负责极端温度电子产品的计划经理Richard Patterson，在一篇与ASRC Aerospace公司Ahmad Hammoud合著的内部论文“极端温度下的MEMS硅片晶振”中指出：“MEMS晶振的小尺寸、可靠性和热稳定性使得它们非常适用于太空勘测任务。” 　　作为航天任务用MEMS晶振认证的第一步，Patterson和Hammoud在极低和极高温度下测试了SiTime公司提供的现货MEMS晶振。 　　“NASA拿到的绝对是典型器件，而且坦白地说，我们并没有设备来测试太空船可能达到的那么冷的温度。”SiTime公司的Partridge表示。 　　Patterson和Hammoud发现，SiTime公司的MEMS晶振可以在+100℃到-100℃下正常工作，范围超过了他们规定的-40℃到+85℃。另外，MEMS晶振还能在-100℃温度下冷启动，在极端温度范围内的热循环期间其性能也没有什么变化。NASA建议在极端温度下评估SiTime的MEMS晶振，看是否适合太空勘测任务。 　　MEMS晶振只是NASA用于太空勘测的最新MEMS器件。MEMS加速计、陀螺仪和其它专用惯性器件在保证宇航员安全和太空船导航系统在轨运行方面发挥作用已经有十多年时间了。 　　与MEMS晶振类似，MEMS惯性器件的最大优点在于它们良好的抗震性以及很小的SWAP（NASA对尺寸、重量和功率的简称）。 　　“与普通陀螺仪相比，MEMS陀螺仪的体积缩小了几个数量级，并且功率也小得多，而且它们具有更好的抗震性和抗电磁脉冲干扰性能。”ADI公司应用工程师Adam Champy说，“它们良好的抗震性源于自身很小的体积，其谐振频率高达14KHz左右，而普通陀螺仪只有约100Hz，因此普通陀螺仪更容易受到发射振动的影响。” 　　航天应用所使用的MEMS器件在许多方面与其它地面应用的要求相同，特别是对可靠性的要求，它们需要像ADI公司用于触发安全气囊的车用加速计一样的超高可靠性。 　　“与其它类型的惯性传感技术相比，MEMS具有超高的可靠性。传统传感器有许多要由手表制造商装配起来的活动部件。”Weinberg说道，“那些大的、笨重的惯性传感器还需要用于控制器的电路板，极易导致焊点开路和各种其它故障。相反，我们的加速计和陀螺仪使用单片硅替代了全部的复杂电路。因此没有太多出错的机会。” 　　很多电子器件故障的源头都是来自它们的互连，NASA表示。因此通过取消电路板互连并将之集成进片上电路后，MEMS芯片基本上消除了机械器件的疲劳源（sources of fatigue）。 　　“当硅片在小范围内使用时，几乎是一种理想的机械单元。”Weinberg表示，“基本上没有磨损机制。有证据证明，ADI已经有3亿个MEMS器件投入使用，至今还没有一个由于磨损而出现问题。” 　　另外，即使在MEMS器件发生故障时，由于其结构与疲劳无关，它们通常也都具有内置的自检功能，能帮助地面上的NASA工程师远程诊断问题。 　　“人类目前所拥有的、能做或想做的东西中，没有一个能达到100％的可靠性，所以我们开发了MEMS器件，在发生故障时进行通知。”Weinberg说，“我们所有的MEMS器件都内置自检系统，而且覆盖率很高，这就意味着，只要器件通过了自检，你就可以相信器件是没有问题的。”