微機(jī)械技術(shù)在航天傳感器技術(shù)中的應(yīng)用研究

呂雪燕 ，劉國(guó)慶，陳榮明

空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系，吉林 長(zhǎng)春 130022

0 引言

微機(jī)械技術(shù)是與微電子技術(shù)密切結(jié)合的一種新技術(shù)，它憑借著智能化、系列化、微型化、分辨力高等一系列的優(yōu)越性能，迅速在世界得到發(fā)展。它成功地開(kāi)發(fā)出了一批微傳感器，并在航空航天系統(tǒng)應(yīng)用中嶄露頭角，使傳統(tǒng)的傳感器相形見(jiàn)拙。可見(jiàn)，采用微機(jī)械技術(shù)制造的各種微傳感器必將成為21世紀(jì)航天傳感器的主流，對(duì)航天傳感器的發(fā)展也有巨大的推動(dòng)作用。

1 微機(jī)械技術(shù)對(duì)航天傳感器的作用

微機(jī)械技術(shù)從開(kāi)發(fā)的傳感器看，已由力學(xué)量發(fā)展到電、光、熱、輻射和生物等諸多傳感器領(lǐng)域，發(fā)展成由表面加工到與體加工相結(jié)合的一種三維加工技術(shù)，應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)術(shù)界多次召開(kāi)了微機(jī)械技術(shù)研究會(huì)議，從一開(kāi)始也有專(zhuān)家預(yù)言，微機(jī)械技術(shù)會(huì)如微電子技術(shù)一樣發(fā)生很大變革，會(huì)像微電子一樣給社會(huì)帶來(lái)深刻的影響。而當(dāng)今微機(jī)械技術(shù)也確實(shí)成為了美國(guó)、瑞士以及德國(guó)等國(guó)家當(dāng)前急需發(fā)展的新技術(shù)，他們各國(guó)先后均花巨資來(lái)建立微機(jī)械技術(shù)研究中心。由此可見(jiàn)，微機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用前景不可估量。

當(dāng)前，微機(jī)械技術(shù)是研制航天傳感器，發(fā)展先進(jìn)的導(dǎo)彈、小衛(wèi)星多目標(biāo)測(cè)控的航天傳感器技術(shù)的關(guān)鍵。其實(shí)，航天工程早在微機(jī)械技術(shù)發(fā)展前期，就應(yīng)用該技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了航天傳感器的產(chǎn)業(yè)化，而微機(jī)械技術(shù)也憑借它一系列優(yōu)越的性能占領(lǐng)航天傳感器市場(chǎng)。目前，應(yīng)用微機(jī)械技術(shù)的產(chǎn)品非常之多，比如：英國(guó)采用的航天電容式液位傳感器以及法國(guó)5號(hào)火箭采用的濺射薄膜壓力傳感器等。另外，微機(jī)械技術(shù)還與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)把傳感器推向一個(gè)更高的層次， 而這正是未來(lái)航天型號(hào)安控檢測(cè)和故障檢測(cè)系統(tǒng)所需要的。

2 微機(jī)械技術(shù)在航天傳感器技術(shù)中的應(yīng)用研究

2.1 發(fā)展航天傳感器技術(shù)的核心技術(shù)

發(fā)展航天傳感器的核心技術(shù)就是微機(jī)械技術(shù)。目前，由于我國(guó)航天各型號(hào)測(cè)控系統(tǒng)的需求，航天系統(tǒng)成功地研制了航天需要的力學(xué)量、熱學(xué)量、運(yùn)動(dòng)量等10多種測(cè)量參數(shù)以及400多個(gè)不同規(guī)格的傳感器變換器系列， 極好的滿(mǎn)足了航天各型號(hào)測(cè)控系統(tǒng)的需求，促進(jìn)了航天型號(hào)的發(fā)展。而航天型號(hào)的發(fā)展也對(duì)傳感器提出了更高的需求。根據(jù)我國(guó)航天系統(tǒng)傳感器專(zhuān)家研討，微機(jī)械技術(shù)擁有一系列優(yōu)越性能，只有采用微機(jī)械技術(shù)才能較好的滿(mǎn)足航天新型號(hào)的新需求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）微傳感器微型化且智能化

航天武器型號(hào)的小型化和機(jī)動(dòng)性要求傳感器更加小型化，而采用傳統(tǒng)技術(shù)制成的傳感器，每件的平均重量最低不會(huì)少于50g～100g，并且如果進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行小型化，就會(huì)使傳感器的的性能下降。特別是現(xiàn)在小衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和子彈頭測(cè)控系統(tǒng)更是要求微型化的傳感器。

另外，航天傳感器的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化和集成化，這對(duì)于航天型號(hào)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)型號(hào)的安全檢測(cè)和故障診斷都是十分重要的，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)傳感器微系統(tǒng)。這些目標(biāo)，主要依靠微機(jī)械技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。近幾年，航天傳感器界也正在熱心研究并應(yīng)用微機(jī)械技術(shù)。

2）微傳感器優(yōu)質(zhì)且廉價(jià)

微機(jī)械技術(shù)不僅性能優(yōu)越，采用微機(jī)械加工的傳感器更是批量化多元件生產(chǎn)，自然制成的微傳感器性能優(yōu)質(zhì)且價(jià)格低。其性能價(jià)格遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的單件生產(chǎn)的傳感器要高，國(guó)外已出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的軍用航天傳感器，其市場(chǎng)占有率也正在不斷擴(kuò)大。

3）微傳感器的可靠性

傳統(tǒng)傳感器的敏感元件等重要件加工主要是依靠手工操作，而手工操作會(huì)存在一定的限制性，使得傳感器的可靠性難以提高。而微機(jī)械加工是在超凈環(huán)境中自動(dòng)化批量生產(chǎn)，能提高航天傳感器的可靠性和一致性。所以，只有依靠微機(jī)械技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)航天傳感器的高度可靠性。

2.2 航天傳感器技術(shù)中的微機(jī)械技術(shù)

為了發(fā)展航天傳感器技術(shù)，需要研究的微機(jī)械技術(shù)主要有微傳感器的CAD技術(shù)。結(jié)合航天傳感器的使用要求開(kāi)展的微傳感器結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計(jì)，通常要在數(shù)據(jù)庫(kù)支持下進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)，并借助CAD來(lái)完成。

2.2.1 微傳感器后工序工藝技術(shù)

其主要技術(shù)包括穿線(xiàn)與密封技術(shù)、微結(jié)構(gòu)的真空密封技術(shù)等。其中穿線(xiàn)與密封技術(shù)是微傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，它能提高傳感器的性能、成品率，且能降低成本。穿線(xiàn)與密封技術(shù)主要是采用橫向和縱向兩種穿線(xiàn)方法。橫向穿線(xiàn)就是先用摻雜多晶硅做出外引線(xiàn)，并在1100℃下高溫處理，使磷硅玻璃流動(dòng)填平表面，隨后再淀積鈍化層和多晶硅，開(kāi)出引線(xiàn)孔，這樣就可進(jìn)行靜電封接，橫向穿線(xiàn)主要是是填平由于橫向引線(xiàn)造成的表面不平整。而縱向穿線(xiàn)就是在封接前，用電火花先在玻璃上打通孔，隨后封接，然后蒸鍍并光刻出歐姆接觸電極，最后再用導(dǎo)電膠連接外引線(xiàn)，使之完成密封和引線(xiàn)雙重任務(wù)。

同時(shí)，微結(jié)構(gòu)的真空密封工作也很重要，其在真空中進(jìn)行靜電封接容易出現(xiàn)真空放電，故使得真空密封難度較大，封接后也難以達(dá)到高真空。

2.2.2 基本加工工藝技術(shù)

其主要技術(shù)包括深腐蝕加工工藝技術(shù)、表面加工工藝技術(shù)以及體加工工藝技術(shù)。傳感器要制造出深度為十微米以上的垂直壁，就必須對(duì)硅作深腐蝕，可用常規(guī)的腐蝕方法其側(cè)向腐蝕較嚴(yán)重，所以很難實(shí)現(xiàn)硅的深腐蝕。近期來(lái)，不僅出現(xiàn)了采用平行度很高的紫外線(xiàn)代替X射線(xiàn)對(duì)光敏聚酰亞胺技術(shù)，還出現(xiàn)了采用等離子刻蝕垂直深槽的技術(shù)，主要工藝就是先制造電鍍模具，然后再電鍍成型所需的金屬結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，表面加工工藝技術(shù)主要是采用硅片作襯底，利用多晶硅層等來(lái)制造傳感器的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。近幾年，表面加工技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它可以將傳感器與集成電路做到一個(gè)基片上，而且做好后不僅體積小，成本也低。而體加工工藝要比表面加工工藝復(fù)雜得多，但它的機(jī)械性能非常好，所以，現(xiàn)在國(guó)外許多加速度傳感器仍是采用此工藝技術(shù)來(lái)制作的。

3 結(jié)論

航天傳感器新型號(hào)對(duì)技術(shù)與產(chǎn)品的需求，只有依靠微機(jī)械技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。微機(jī)械技術(shù)是20世紀(jì)末迅速發(fā)展的新技術(shù)，也必將成為21世紀(jì)發(fā)展的高技術(shù)。采用微機(jī)械技術(shù)制造的微傳感器，也必將占領(lǐng)21世紀(jì)傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)地位?？梢灶A(yù)言，在未來(lái)，微機(jī)械技術(shù)對(duì)于科技技術(shù)現(xiàn)代化，尤其是航天工程技術(shù)的發(fā)展必定起到重要作用，航天傳感器技術(shù)也定會(huì)隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展而有所突破的。

[1]陳津.傳感器技術(shù)應(yīng)用綜述及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(10).

[2]鮑敏杭.微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展概況(一)[J].儀表技術(shù)與傳感器，1998(5).

[3]路明，趙則祥，等.我國(guó)微機(jī)械技術(shù)發(fā)展概述[J]中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(6).