MEMS器件拓展航空應用

為了減小其無線收發器的尺寸、重量以及功耗，美國國家航空航天局（NASA）已經開始著手一項開發MEMS技術的計劃。在該計劃中，NASA特別關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，業界合作伙伴應著手開發可重配的多波段MEMS芯片，以便能夠插入未來頻率靈活的軟件定義無線電設備中進行使用。
　　太空勘探對器件供應商提出的規格指標令人生畏，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發射起就開始使用MEMS。
　　“如果哪次航天飛機發射沒有用到我們的MEMS器件，我會感到很驚訝的。”模擬器件公司（ADI）應用工程師Harvey Weinberg Sr.表示。
　　任何航空應用的市場規模都很小，因為每年發射的太空船數量非常有限，針對航天航空的MEMS市場也不例外。但是從另一方面來說，NASA先行開發的技術會慢慢向軍事以及商業領域延伸。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，這種發展途徑對MEMS而言卻恰恰相反。
　　“對許多MEMS器件來說，其應用最先出現在商業和軍事領域。”36歲的資深軍事研究員John Vig指出。Vig建議美國國防先進技術研究計劃署（Darpa）實施RF MEMS開發計劃。“Darpa有一個非常激進的RF MEMS計劃，而且我確信許多Darpa開發人員也希望向NASA提交相關建議。”Vig透露。
　　針對地面汽車應用的MEMS規范，同樣也能滿足太空勘測的要求。畢竟，汽車內司機和乘客的安全與太空飛船中宇航員的安全沒有太大的區別。而且，汽車應用一般要求至少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。
　　“專門針苛刻環境（例如汽車、軍事和電信市場）而開發的MEMS傳感器，在航天應用中也已被越來越廣泛地采納。”Garner/Dataquest公司研究半導體制造的副總裁Jim Walker表示。
　　SiTime公司已經可以生產頻率高達125MHz的MEMS晶振，而且正在開發在同一裸片上集成多個MEMS諧振器的芯片，以期形成實現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。”SiTime公司首席技術官Aaron Partridge表示，“MEMS技術可以利用IC基礎架構來生產體積非常小、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MEMS晶振，目前正在開發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業務部簽訂合約，Discera公司的MEMS芯片已經通過了美國軍方的振動和沖擊免疫性測試。M/A-Com業務部在其智能軍需品的無線發送器中使用了Discera的MOS-1 MEMS晶振。在這次軍品測試中，一些彈頭去掉了彈藥，這樣在發射出去后可撿回彈殼??而揀回后發現Discera的晶振仍在正常工作。
　　“我們的產品通過了軍方的離心機產生的高達50G振動、14,000G沖擊、25,000G加速的測試，達到了100％的可靠性，每個器件都在指標范圍之內，只有百萬分之1.4的器件出現了頻率變化。”Discera公司首席技術官Wan-Thai Hsu透露。
　　NASA已經開始認證用于太空探險的MEMS晶振，并且發現MEMS晶振可以工作在很寬的溫度范圍下。NASA負責極端溫度電子產品的計劃經理Richard Patterson，在一篇與ASRC Aerospace公司Ahmad Hammoud合著的內部論文“極端溫度下的MEMS硅片晶振”中指出：“MEMS晶振的小尺寸、可靠性和熱穩定性使得它們非常適用于太空勘測任務。”
　　作為航天任務用MEMS晶振認證的第一步，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，我們并沒有設備來測試太空船可能達到的那么冷的溫度。”SiTime公司的Partridge表示。
　　Patterson和Hammoud發現，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，在極端溫度范圍內的熱循環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。
　　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航系統在軌運行方面發揮作用已經有十多年時間了。
　　與MEMS晶振類似，MEMS慣性器件的最大優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射振動的影響。”
　　航天應用所使用的MEMS器件在許多方面與其它地面應用的要求相同，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相比，MEMS具有超高的可靠性。傳統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雜電路。因此沒有太多出錯的機會。”
　　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片上電路后，MEMS芯片基本上消除了機械器件的疲勞源（sources of fatigue）。
　　“當硅片在小范圍內使用時，幾乎是一種理想的機械單元。”Weinberg表示，“基本上沒有磨損機制。有證據證明，ADI已經有3億個MEMS器件投入使用，至今還沒有一個由于磨損而出現問題。”
　　另外，即使在MEMS器件發生故障時，由于其結構與疲勞無關，它們通常也都具有內置的自檢功能，能幫助地面上的NASA工程師遠程診斷問題。
　　“人類目前所擁有的、能做或想做的東西中，沒有一個能達到100％的可靠性，所以我們開發了MEMS器件，在發生故障時進行通知。”Weinberg說，“我們所有的MEMS器件都內置自檢系統，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。”
編輯：何世平