MEMS在國防科工領(lǐng)域的應(yīng)用

1、MEMS在國防科工領(lǐng)域的應(yīng)用20世紀(jì)90年代以來，美軍主導(dǎo)的海灣戰(zhàn)爭，科索沃戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭，可以說是一部現(xiàn)代戰(zhàn)爭教科書，充分展示了高技術(shù)條件下現(xiàn)代戰(zhàn)爭的基本特點和發(fā)展趨勢。人們看到的是高新技術(shù)武器裝備大量運用，空天戰(zhàn)場正在逐漸確立主導(dǎo)地位，利用巡航導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器進行防區(qū)外遠(yuǎn)程精確打擊成為重要的作戰(zhàn)方式，先進的信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)系統(tǒng)極大提高了指揮效率。在海灣戰(zhàn)爭中，美軍空中裝備或通過空中發(fā)揮作用的武器多達(dá)44種，約占其高科技武器種類的78%。在阿戰(zhàn)中，美軍共投擲了精確制導(dǎo)彈藥約1.3萬多枚，占總投擲彈藥量60%。由于信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)系統(tǒng)的高度一體化，在阿富汗的美軍從發(fā)現(xiàn)一個機動目標(biāo)到發(fā)動襲擊僅需

2、要10分鐘時間。這一切令人驚訝的數(shù)據(jù)都建立在高科技信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代戰(zhàn)爭圍繞信息的搜集，處理，分發(fā)，防護展開，信息化戰(zhàn)爭成為高技術(shù)戰(zhàn)爭的基本形態(tài)，奪取和保持信息權(quán)成為作戰(zhàn)的中心。信息技術(shù)在未來戰(zhàn)爭中有著重要的地位：未來戰(zhàn)爭中指揮中心、武器系統(tǒng)、甚至士兵本人將使用不同層次的（軍事）信息系統(tǒng), 使部隊作戰(zhàn)時情況明, 戰(zhàn)斗力強, 并能迅速的控制戰(zhàn)場; 這是推動MEMS技術(shù)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的動力。歐、美和日本均把MEMS作為高科技放在優(yōu)先發(fā)展的地位, 并得到國防部門的大力支持。MEMS產(chǎn)品在信息采集, 軍事設(shè)施監(jiān)控, 改進武器系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)和后勤保障體系, 尤其在國防科技研究領(lǐng)域大有用武之地。本文

3、介紹MEMS產(chǎn)品在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的若干實例, 以展示其應(yīng)用前景?？梢韵嘈? 隨著MEMS研究的深入開展, 其產(chǎn)品對于國防技術(shù)的現(xiàn)代化有著十分重要的作用。1慣性測量器件的應(yīng)用采用微機械加工技術(shù)已研制成加速度傳感器和陀螺儀等慣性測量器件, 前者發(fā)展比較成熟, 陀螺儀的制造比加速度傳感器復(fù)雜, 其性能正在不斷提高。軍事上對慣性測量元件要求很苛刻, 從而促進了MEMS陀螺儀的加速發(fā)展。1. 1彈的安全保險與引爆裝置彈藥在貯運過程中要求安全保險, 在戰(zhàn)斗中又能可靠引爆, 不能出現(xiàn)“啞彈”。啞彈戰(zhàn)時會延誤戰(zhàn)機, 而戰(zhàn)后啞彈的排除既費時, 費錢, 又十分危險。在大規(guī)模戰(zhàn)爭中, 投彈量可達(dá)天文數(shù)字, 如果啞彈僅

4、占12%, 其數(shù)量也是相當(dāng)可觀的, 因此, 確保各類彈可靠引爆是國防科技中一個非常重要的課題。MEMS加速度傳感器可用于彈的引爆, 可大幅度提高引爆的可靠性及貯存的安全性。據(jù)稱, 其引爆可靠性比傳統(tǒng)方法可提高510倍, 使戰(zhàn)場上啞彈數(shù)量降低一個數(shù)量級。由于MEMS加速度傳感器重量輕, 體積小、可靠性高, 因而, 即使在小型炸彈或炮彈上也可使用, 使武器系統(tǒng)更加安全可靠。美國利用MEMS加速度傳感器代替彈的安全保險/引爆裝置的研究計劃已經(jīng)啟動。AD公司生產(chǎn)的MEMS加速度傳感器由于具有自檢和自校功能且可靠性好, 而首先被用于帶推力裝置的飛彈上, 此項試驗工作已于1996年開始。這類MEMS安全保

5、險, 引爆裝置在裝備部隊之前需作大量試驗, 可能要發(fā)射數(shù)千發(fā)彈, 以考察其安全性和可靠性。MEMS引爆裝置還將在多用途彈上試驗。該安全保險/ 引爆裝置如果裝備部隊, 其需求量將相當(dāng)可觀。1. 2慣性制導(dǎo)彈當(dāng)前武庫中, 絕大多數(shù)炮彈或炸彈尚未采用制導(dǎo), 故命中率較低, 將MEMS慣性測量器件用于常規(guī)彈上進行慣性制導(dǎo)與控制, 可大大提高命中率。若MEMS慣性制導(dǎo)器件與全球定位系統(tǒng)( GPS) 結(jié)合使用, 便可精確定位, 以代替十分昂貴的自動尋的系統(tǒng)或目標(biāo)指示器, 從而可比較準(zhǔn)確地?fù)糁心繕?biāo)。研究表明, 從30km外攻擊20×30m2目標(biāo)時, 對于非制導(dǎo)炮彈, 彈著點散布直徑為250m; 若

6、要求擊中概率達(dá)90%, 則需用364發(fā)炮彈。若改用慣性制導(dǎo), 則彈著點散布直徑為64m, 如擊中概率維持不變, 則只需發(fā)射30發(fā)炮彈, 彈藥消耗降低了10倍。提高命中率在戰(zhàn)斗中具有重要意義, 還可大大減輕后勤負(fù)擔(dān)和軍火的消耗, 提高部隊作戰(zhàn)的機動性和戰(zhàn)斗力, 減少自身的傷亡。對于先遣部隊, 只需少量彈藥便可迅速摧毀敵方目標(biāo), 提高殺傷力, 還能在后勤供應(yīng)受阻情況下提高部隊的支撐能力。MEMS慣性制導(dǎo)器件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)強度高等特點。據(jù)報道, MEMS慣性制導(dǎo)彈可以經(jīng)受住火炮發(fā)射時30000g 的加速度, 也能經(jīng)受住反坦克彈發(fā)射時100000g的加速度, 因而可以用在榴彈炮、迫擊炮、或火

7、箭上。從技術(shù)上看, MEMS慣性制導(dǎo)方案是完全可行的。因此, 制導(dǎo)用的MEMS慣性測量器件需求量非常之大。例如, 美國國防部有關(guān)部門推算, 在和平時期, 每年大約使用2550萬只MEMS慣性測量器件來逐步改造現(xiàn)有的非制導(dǎo)彈。1. 3穩(wěn)定平臺飛機、導(dǎo)彈、坦克、艦船等軍事設(shè)備上, 平臺用得很多, 典型的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)需用加速度傳感器和陀螺儀各3只。MEMS加速度傳感器和陀螺儀由于其許多優(yōu)點可望在平臺系統(tǒng)使用。據(jù)Gabriel等人所作比較, 常規(guī)的慣性測量元件重量為1587g、尺寸為15cm×8cm×5cm, 功耗35W, 價格達(dá)3萬美元。MEMS測量單元集成了加速度計和陀螺, 其

8、重量降低了150倍, 體積縮小了300倍, 成本降低了60倍, 且抗過載能力提高了約3個數(shù)量級。不難看出, MEMS慣性測量單元在平臺上具有相當(dāng)大的競爭力。MEMS陀螺儀還可用于航空航天電子設(shè)備、自動駕駛儀、炮座、坦克轉(zhuǎn)塔、跟蹤天線和彈射座椅上。目前, MEMS陀螺儀雖然在可靠性和技術(shù)成熟程度上比不上MEMS加速度傳感器, 但是在實驗室已能提供性能相當(dāng)好的樣品, 因而在近期內(nèi)應(yīng)用MEMS慣性測量元件的平臺無疑將被提到日程上來。1. 4人員與車輛的導(dǎo)航集成單片式MEMS慣性測量元件可用于地面導(dǎo)航。目前雖然GPS可以精確定位, 但需要有4顆或4顆以上衛(wèi)星才能準(zhǔn)確定位。在叢林、山谷或城市中, 這些條

9、件有時得不到滿足, 因此GPS定位尚有一定局限性。MEMS陀螺儀由于其漂移率較大尚不能單獨地、長期地進行精確導(dǎo)航。為克服上述困難, 可將GPS與MEMS陀螺結(jié)合使用。用GPS對MEMS陀螺校準(zhǔn), 在GPS無法定位的地區(qū), 采用MEMS陀螺作輔助導(dǎo)航。作為近期目標(biāo), 要求MEMS陀螺在GPS校準(zhǔn)之后, 在24小時內(nèi)仍可用它進行準(zhǔn)確的導(dǎo)航。不難看出, 降低MEMS陀螺的漂移率已是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)國外報道, 目前, MEMS陀螺的時漂為200°/ h, 預(yù)計到2000年將降到10°/ h。因而在地面微型導(dǎo)航裝置中將占有一席之地, 且有較大的需求量。2在測控技術(shù)中的應(yīng)用MEMS傳感器在

10、航空航天研究領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。從風(fēng)洞實驗到發(fā)動機測試, 從關(guān)鍵部件的實驗研究到試車臺測試, 已有大量MEMS器件在工作。例如, 美國航天飛機渦輪泵, 僅其主軸承研究一項就采用了146只傳感器, 其中有相當(dāng)數(shù)量的MEMS傳感器。結(jié)合航空航天技術(shù)的特殊需要, 出現(xiàn)了一系列不同規(guī)格和不同類型的傳感器。如小直徑壓力傳感器、薄片型壓力傳感器、工作溫度達(dá)到400的藍(lán)寶石高溫壓力傳感器、SOI 高溫壓力傳感器、高精度諧振式壓力傳感器、可在液氫液氧溫度下工作的濃硼擴散型超低溫壓力傳感器、各種類型的振動傳感器和加速度傳感器等等?？傊? 微機械加工與MEMS技術(shù)的研究首先得到了航空航天部門的支持, 同時又直接地

11、為航空航天事業(yè)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。下面再從其他角度來介紹MEMS技術(shù)在測控技術(shù)中的應(yīng)用。2. 1按運行狀況進行設(shè)備維護（CBM）飛機、坦克、車輛等軍用設(shè)備, 通常采用定期維修的方法, 這是一筆巨額開支; 據(jù)稱美國國防部每年至少要花200億美元( 尚不包括維修人員的工資) 用于設(shè)備維護。采用CBM法維護設(shè)備可以節(jié)省大筆維修經(jīng)費。由于MEMS傳感器很小, 可將其裝在軍事設(shè)備的關(guān)鍵部位, 對零部件和材料的運行狀況進行實時監(jiān)測, 監(jiān)測參數(shù)包括溫度、壓力、流量、振動、加速度等等, 然后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定維修方案, 即按運行狀況進行維修。美國在H-46海軍直升機上對CBM維護法進行了研究。研究對象共328架,

12、每一小時的維護費為2800美元, 每年維護費為2. 78億美元。采用按運行狀況進行維護后, 每年可以節(jié)省1/4的維護費, 并減少事故30%, 縮短維護時間50%, 從而大大提高了該直升機隊的作戰(zhàn)能力。根據(jù)CBM維護法要求, 飛機、車輛、機械設(shè)備的許多部件, 如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、軸承、主軸、接頭、構(gòu)件、輪胎等均需監(jiān)測; 因而MEMS器件的需求量很大, 但設(shè)備監(jiān)控用的MEMS器件, 必須工作穩(wěn)定, 可靠性高, 漂移小, 封裝結(jié)構(gòu)合理。2. 2敵情偵察和監(jiān)視敵軍人員與車輛的調(diào)動、后方供應(yīng)線的活動、敵占區(qū)的氣候、環(huán)境、潮汐、溫度、土壤以及布防情況需要了若指掌, 這對正確制定作戰(zhàn)方案, 選擇最

13、佳進攻時間和部隊的裝備具有重要的作用。采用MEMS技術(shù)制作的偵察、監(jiān)聽、監(jiān)測設(shè)備具有體積小, 功耗低, 隱蔽性好, 便于布防等特點而受到重視。偵察到的情況可通過無線電以及通訊衛(wèi)星傳遞到指揮部。這類MEMS偵察器材屬一次性使用器材, 可以用空投或地面炮投方式投放。目前, 微型偵察系統(tǒng)的技術(shù)難點已經(jīng)基本突破。可以預(yù)計, 當(dāng)其裝備部隊之后, 其用量將是相當(dāng)大的。2. 3微型分析儀當(dāng)前化學(xué)、生物以及核武器的威脅依然存在。東京地鐵毒氣施放事件就是一個信號。據(jù)稱在海灣戰(zhàn)爭中, 美軍曾受到有害生物物質(zhì)侵襲, 事后才得以查明?？傊? 戰(zhàn)爭中對于化學(xué)-生物-核有害物質(zhì)的及時監(jiān)測并及時加以防范對于保存自己, 減少

14、傷亡具有重要作用。由于MEMS技術(shù)的發(fā)展, 人們已研制出掌式微型氣相和液相色譜儀, 正在加緊研制微型質(zhì)譜儀和其他類型的微型分析儀。這些儀器的最大特點是可以隨身攜帶, 可在戰(zhàn)場上進行實時檢測, 而不必將樣品送回實驗室分析。目前微型氣相色譜儀已具備實驗室用色譜儀所具備的多種功能。MEMS微型分析儀是MEMS高技術(shù)產(chǎn)品的代表作; 它把實驗室中的大型精密的分析儀縮小到硅片上, 用MEMS技術(shù)制作樣品出入口、微通道、過濾器、微閥門、微泵、電離室或色譜儀, 還有檢測元件、信號處理電路、輸出驅(qū)動電路等等。目前氣相色譜儀已有商品出售, 其他的設(shè)備還在研究中。美國國防系統(tǒng)和大公司均在積極支持這些軍民兩用的微型分

15、析儀的研究。預(yù)計今后數(shù)年內(nèi)將有更多的微型理化分析儀問世, 其中有些在國防科技中將得到應(yīng)用。2. 4便攜式人體體況監(jiān)測儀傷員受傷后第一個小時內(nèi)的死亡率最高, 人們將這段時間稱為“黃金小時”, 如能在“黃金小時”里對傷員及時地、合理地進行救護, 就可大大減少死亡率。為此需要及時對傷員的心律、血壓、血氧、體溫以及呼吸速率加以測定。目前, 美國國防部正加大力度開展小型化體況監(jiān)測儀的研究。MEMS技術(shù)在這類監(jiān)測儀中大有用武之地。微型血壓計、心律計早已問世, 并已大量生產(chǎn), 不難設(shè)想, 當(dāng)這類監(jiān)測儀部署到戰(zhàn)士身上時, 其需求量將是很大的。2. 5地面目標(biāo)的敵我識別飛機上已經(jīng)采用了相當(dāng)先進的敵我識別系統(tǒng)。然

16、而在地面, 由于戰(zhàn)場的特殊條件, 敵我目標(biāo)的識別變得十分困難。戰(zhàn)場上有煙霧、塵土, 若戰(zhàn)爭在夜間或雨天進行, 當(dāng)通訊聯(lián)絡(luò)遇到故障時, 敵我識別變得更困難。有時我方或友方也使用從敵人手里繳獲的車輛和坦克, 這就使問題變得更為復(fù)雜。戰(zhàn)爭中由于敵我目標(biāo)不能準(zhǔn)確區(qū)分而造成“六親不認(rèn)、自相殘殺”的情況時有發(fā)生。為此, 正確識別地面的敵我目標(biāo)是國防科技研究中的一項重要內(nèi)容。鑒于采用MEMS技術(shù)可在硅片上制作可動的微鏡或微梁, 可用靜電方法控制其位置, 故可對其進行編碼并通過光學(xué)系統(tǒng)來傳遞信息, 供敵我識別用, 還可采用紅外技術(shù)供夜間使用。由于MEMS器件很小, 功耗又低, 可以很靈活地將其貼在車輛或武器表

17、面, 并可貼在不同部位, 便于從不同方位進行檢測。微動件可象口令那樣按需要進行編碼, 故這類器件的保密性好, 即使戰(zhàn)斗中落入敵人手里, 也可通過改變編碼以保證敵我識別的安全性。敵我識別芯片上還可裝上自毀裝置, 以防落入敵人手中。MEMS敵我識別系統(tǒng)的建議已引起了美國軍事部門的重視, 但到目前為止, 尚未見到有關(guān)的研究成果的報道。2. 6機翼氣動力控制采用MEMS技術(shù)可以在硅片表面制造可動的薄片陣列, 可按需要靈活地調(diào)節(jié)薄片的位置。如將其裝在機翼表面, 適當(dāng)調(diào)節(jié)可動薄片的形狀便可以改變翼面的氣動力特性, 還可減少或消除翼面渦流, 使飛行速度更快、航程更遠(yuǎn), 或有效載荷更大。改變MEMS變形表面的

18、形狀, 還可改善飛機的機動性能或操縱性能。如可動表面裝在直升機螺旋槳上, 適當(dāng)調(diào)節(jié)其位置, 還可提高螺旋槳的升力。同理, 如果將其用于潛艇螺旋槳上, 可以減小螺旋槳發(fā)出的噪音, 提高潛艇的隱蔽性。需要指出的是, 用MEMS可動表面調(diào)節(jié)機翼氣動特性的預(yù)研工作已在進行, 但尚未見到有關(guān)研究的進一步報道。3在信息領(lǐng)域中的應(yīng)用MEMS技術(shù)在掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡領(lǐng)域已取得了驚人的進步, 分辨率可達(dá)2nm。其重要技術(shù)突破有二, 一是微探針, 二是相應(yīng)的微動力結(jié)構(gòu)。將這些技術(shù)用在存貯器中便可以制成高分辨率的磁驅(qū)和光驅(qū), 可將現(xiàn)有存貯器的存貯密度至少提高2個多數(shù)量級。采用隧道效應(yīng)的存貯系統(tǒng), 其存貯密

19、度可比目前的CD-ROM提高105倍, 這是存貯技術(shù)的一場革命。這種新型存貯系統(tǒng)重量輕、體積小、速度快、功耗低、存貯量大, 在軍事領(lǐng)域是十分需要的。指揮中心、信息中心與控制中心均需大容量存貯器。在未來戰(zhàn)爭中, 即使遠(yuǎn)離部隊的偵察兵, 也可使用微型計算機及大容量存貯器來查看地圖、地形地貌、照片、作戰(zhàn)指南、數(shù)據(jù)庫等等。這種微型存貯器至少需要10GB以上的存貯量, 而且功耗很低, 由電池驅(qū)動, 這是現(xiàn)有存貯系統(tǒng)所望塵莫及的。高速大容量存貯系統(tǒng)屬軍民兩用技術(shù), 是當(dāng)前國際上的研究熱點, 一場具有深遠(yuǎn)意義的存貯技術(shù)革命即將來臨。采用MEMS技術(shù)還可以制作高分辨率顯示器。TI 公司已生產(chǎn)出由400萬個微鏡陣列組成的顯示器, 用于投射式大屏幕顯示, 圖象十分清晰。這類顯示器可用于指揮部、信息中心、控制中心或?qū)棸l(fā)射基地。除此之外, 戰(zhàn)士在戰(zhàn)斗中常常需要隨身攜帶一個低功耗、平板型、小型顯示器, 例如0.55英寸顯示器, 可顯示地圖、照片、指令以及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容, 因而要求分辨率較高。用MEMS技術(shù)制作的微梁陣列可以滿足這一要求。用靜電方法可控制微梁位置, 從而控制光線的折射和反射。每一微梁即