微系统技术:颠覆未来作战的前沿技术!

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微系统技术:颠覆未来作战的前沿技术!

微系统是以微纳尺度理论为支撑,以微纳制造及工艺等为基础,不断融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术,具有微感知、微处理、微控制、微传输、微对抗等功能,并通过功能模块的集成,实现单一或多类用途的综合性前沿技术。微系统是一项多学科交叉的新兴高新技术,在信息、生物、航天、军事等领域具有广泛的应用前景,对于国家保持技术领先优势具有重要意义。

 

一、引发武器装备重大变革

与传统装置相比,微系统由于将各种功能高度集成,因此具有微型化、成本低、性能高等优点,广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。微系统技术正处于向大规模应用转化的关键阶段,由微器件技术制造的芯片已经在诸多领域得到应用,将对武器装备发展与作战影响深远。

微系统对于武器装备发展具有革命性的影响。微系统技术将多种先进技术高度融合,将传统各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体,能够促进武器装备微小型化和智能化,对于加速武器装备系统性能的全面提高,有效降低尺寸、重量与成本等具有革命性的影响。例如,采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪的价格仅为原来的1/50,采用微系统技术研制的芯片级原子钟将比传统原子钟体积缩小100倍;由美国国防高级研究计划局(DARPA)主持、霍尼韦尔公司研制的“T-鹰”微型无人机已在阿富汗战场得到了实战检验,其质量仅为9千克,可飞行50分钟。

微系统技术是DARPA近十年来大力发展的现代前沿技术,对美国保持其国防科技领先优势具有重要意义。自1992年以来,DARPA微系统技术办公室已经对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资,取得了显著成果。近年来,DARPA微系统技术办公室先后组织实施了上百项与先进微系统技术密切关联的研究开发计划,所涉及的项目全面覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域,例如宽禁带半导体技术、先进微系统技术、电子和光子集成电路、焦点中心研究计划、自适应焦平面阵列、光纤激光器革命、太赫兹成像焦平面技术、微机电系统(MEMS)、微型同位素电源等几十项研究计划。

为了应对新的安全挑战,DARPA微系统办公室目前已着手开发新一代微系统技术。2013年1月,DARPA和美国半导体研究联盟共同宣布开展半导体技术跨代研究,实施“半导体技术先期研究网络”(STARnet)计划。该计划的目标是,攻克影响下一代半导体技术长期性发展的全局性重大技术难题,发展新原理、新材料、新技术、新器件、新型片内微架构、新型系统集成方式和全新应用方式,使微纳电子技术发展摆脱CMOS器件的固有模式和局限,改变数十年来“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式,使下一代半导体技术在新基础上获得更大发展空间,使美国半导体技术在未来数十年继续保持领先地位。

 

二、微系统关键技术取得多项突破

微系统涉及微处理器、微机电系统、微电子、微集成等多个技术领域。近年来,微系统相关技术发展迅速,微系统集成方法与工艺有了新的突破,微电子器件特征尺寸继续减小,微处理器、微射频器等性能进一步提升,碳化硅与氮化镓等第三代半导体材料器件日益成熟并进入应用阶段,为微系统技术发展提供了有效支撑。

微传感器是传感技术微型化的基础,是微系统的重要基础技术。近年来,微传感器性能不断提升,可感知对象不断丰富,在生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛应用,对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用。例如,DARPA近年来开展研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统部件,降低武器系统对GPS系统的依赖,新器件比传统惯性器件尺寸更小、重量更轻、功耗更低,其工作功率不超过几十毫瓦。

微处理器向着小线宽、低功耗、高性能、智能化方向发展。2011年,三栅晶体管结构微处理器实现量产,标志着晶体管结构从平面到立体的根本性转变,其性能提升37%,功耗降低了50%,成为半导体发展50年来最重要的突破;2013年,美国启动下一代空间微处理器项目,其目标是发展24个支持32位计算的处理器内核,支持100亿次/秒浮点运算,功率不超过7瓦,具有4~8个第三代或第四代双倍速率同步存储器端口;2014年,IBM公司宣布成功研制第二代类脑计算芯片“真北”,该芯片架构类似人脑,集运算、通信、存储功能于一体。

微系统制造工艺有了大幅提高,微电子器件特征尺寸继续减小。2014年,美国和日本先后展示了采用14纳米工艺实现的微处理器和现场可编程门阵列产品,以及15纳米工艺实现的闪存;2014年,三星公司14纳米三栅极FinFET芯片工厂已经开始批量生产,相比20纳米半导体工艺,14纳米工艺可以将处理器芯片的性能提高20%,功耗能降低35%,占用面积减少15%。借助14纳米工艺,微处理的性能在进一步提高的同时,功耗和成本有所降低。

微集成技术正在由平面集成向三维集成发展,由芯片级向集成度和复杂度更高的系统级发展。微集成技术的成熟将带动具备传感、处理、控制等多种功能的微系统快速发展,在大幅提升性能的同时,实现能耗和体积数十至数百倍的降低。在集成技术方面,开展了“三维集成电路”和“多方式异构集成”等三维集成技术研究,多个低功率、小信号、同质微电子器件的三维集成已成为标准工艺;微/光电子、微机电系统等多种器件间的集成获较大进展。DARPA在2011年启动“电子-光子混杂集成”(E-PHI)计划,目标是将高速电子直接与芯片级的光子微系统集成到一个微型硅芯片上,2014年该项目成功地在硅片上集成数十亿个发光点,发出有效的硅基激光。

微射频集成芯片实现新突破,二维光学相控阵列等新型光电集成器件问世。DARPA在“高效线性全硅发射机集成电路”项目下成功研制出首个可工作在94吉赫的全硅单片集成信号发射机系统级芯片,将原本由多个电路板、单独的金属屏蔽装置和多条输入/输出连线组成的发射机集成到了一个只有半个拇指指甲盖大小的硅芯片上,实现了硅基射频器件输出功率和效率的大幅提升,以及硅数字信号器件和射频器件的单片集成,标志着全硅系统级芯片首次达到毫米波范围。此项技术有望为未来军用射频系统提供新的设计架构,使下一代军用射频通信系统体积更小、重量更轻、成本更低、功能更强。2013年,DARPA开发出二维光学相控阵芯片,将4096个纳米天线集成到一个硅基底上,尺寸只有一个针尖大小,该芯片的成功表明异质、异构硅基光电集成技术取得重要进展。实现这一突破的关键是:一种可以扩展以容纳大量纳米天线的设计;新的微尺寸加工工艺;将电子和光学部件集成到一块单独的芯片。

 

三、转化应用进入快车道

随着微系统技术不断发展,其应用领域也在不断扩展。微系统技术在导弹、飞行器、雷达、生物医学等领域应用日益广泛,产生了显著的效益。

利用微系统技术发展的微惯性测量装置具有体积小、成本低、质量轻、抗振动、抗冲击能力强和集成化程度高等优点,适用于各种武器的制导系统、光学伺服稳定机构、姿态控制系统等,对于小型飞行器导航、制导与控制领域的发展具有重要意义。国外研制的部分微型惯性测量装置已经具有战术级精度,在制导武器中开始大量应用。例如,美国诺斯罗普·格鲁曼公司制造的SiACTM加速度计,具有战术和导航两种级别的精度,已经在“先进中程空空导弹”“制导多管火箭系统”以及指挥直升机上得到应用。微处理器是微系统技术在导弹中的另一个主要应用,高性能微处理器的应用使导弹制导能力得到进一步提升。

微系统技术的发展促进了微小无人装备的发展,近期在微小无人飞行器和微型机器人等方面均取得了新进展。DARPA从2009年就启动了混合昆虫微机电计划,目的是发展可以控制昆虫运动的技术,该项目承研单位美国密歇根大学和犹他大学2012年研发出一个原型,可以让半机械甲虫通过植入方式,利用翅膀震动产生电能。2014年5月,美国洛克希德·马丁公司推出“矢量鹰”多任务微型无人机,起飞总重只有约1.8千克,其纵向剖面只有约10厘米,拥有一流的载荷、速度和航时能力。“矢量鹰”微型无人机可以在战场上根据各种任务重新配置,包括固定翼型、垂直起降型和倾转旋翼型。由于具备开放式体系结构、可重构的型式、自适应数据链以及载荷可扩展等特性,“矢量鹰”具备广泛的使用范围和较强的适应能力。

2014年,美国哈佛大学的一个研究小组开发出了一款名为Kilobot的机器人。这款机器人直径约为2.5厘米,能够与其他同种类型的机器人共同协作完成任务。机器人系统是一个由1024个Kilobot机器人组成的“团队”,可以依靠自身的振动来移动,并能与附近其他的Kilobot机器人交流。Kilobot机器人内置微处理器,能维持至少3小时的操作,带有两个振动马达,通过三个腿向左、向右或水平向前移动。Kilobot底部配有一个广角红外收发器,可以发射光束到光滑面上,同时也可以接受相邻Kilobot反射的光束,通过这种方式实现彼此间的互动,判断彼此间的距离。同时,美国陆军研究实验室正在研发面向未来的军用微型机器人,能执行隐蔽监听和监视可疑敌对目标任务,帮助士兵和指挥员进行态势评估。美国陆军研究实验室演示验证了利用微机电系统制造工艺开发出的仿昆虫三关节腿式毫米级自主机器人系统,目前正在开发和测试毫米级的机器人腿形结构,包括压电薄膜制动器和铜薄膜分段结构,目的是用于模拟腿部动力学,使其具备移动、提升和抗冲击能力。

微系统在雷达方面得到了广泛应用,在提高雷达性能的同时大幅缩小其重量和体积。2014年10月,美国“陆军联合陆上巡航导弹组网防御传感器系统”(JLENS)系统通过关键里程碑测试,并于12月在美国马里兰州的阿伯丁地面试验场正式部署,标志着由MEMS开关组成的雷达天线已经进入应用阶段。JLENS上安装了X波段的MEMS电扫描相控阵,该天线阵面积仅0.4平方米,使用了2.5万只射频 MEMS开关,实现了±60°电扫描角度,空中探测距离超过20千米。

利用微系统技术可以制造体积非常小且具有一定功能的产品,在医疗植入、生命体征检测等生物与健康领域取得了较大进展。DARPA与美国国立卫生研究院研发了基于MEMS的“片上人体系统”,该项目基于MEMS技术开发微流体芯片来模拟人体的实际生理反应,目的是加速新药物的研发速度和效率,并提供快速检测不明物质毒性的方法。2014年1月,谷歌公司发布了一款智能隐形眼镜,可通过分析佩戴者泪液中的葡萄糖含量帮助糖尿病患者监测血糖水平,从而免去糖尿病患者取血化验的痛苦。该隐形眼镜内置上万个微型晶体管和细如发丝的天线,以无线形式发送到智能手机等移动设备上。2014年11月,美敦力公司发布了全球最小的心脏起搏器Micra,Micra通过微创方式,由腿部血管进入心脏,体积仅为传统起搏器的1/6。

四、结语

当前,微系统技术正从平面集成到三维集成、从微机电/微光电到异质混合集成、从结构/电气一体化到多功能一体化集成等方向发展,并正与生命科学、量子技术、微纳前沿交织融合。微系统相关产品也正从芯片级、组部件级向复杂程度更高的系统级(微型飞行器、片上实验室)等发展,成为聚集前沿科技创新发展的重要领域。微系统技术对武器系统小型化、智能化和轻量化将产生颠覆性影响,在一定程度上将改变未来战争作战模式。(军事文摘)

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