為了減小其無(wú)線收發(fā)器的尺寸、重量以及功耗，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已經(jīng)開始著手一項(xiàng)開發(fā)MEMS技術(shù)的計(jì)劃。在該計(jì)劃中，NASA特別關(guān)心就是如何縮小用于有空間約束的太空艙外活動(dòng)（EVA）俗稱“太空行走”的無(wú)線部分的體積。 　　NASA建議，業(yè)界合作伙伴應(yīng)著手開發(fā)可重配的多波段MEMS芯片，以便能夠插入未來(lái)頻率靈活的軟件定義無(wú)線電設(shè)備中進(jìn)行使用。 　　太空勘探對(duì)器件供應(yīng)商提出的規(guī)格指標(biāo)令人生畏，其中包括小尺寸、輕重量、低功率、防輻射、抗振動(dòng)以及極長(zhǎng)的壽命。慶幸的是，這些指標(biāo)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(jī)發(fā)射起就開始使用MEMS。 　　“如果哪次航天飛機(jī)發(fā)射沒(méi)有用到我們的MEMS器件，我會(huì)感到很驚訝的?！蹦M器件公司（ADI）應(yīng)用工程師Harvey Weinberg Sr.表示。 　　任何航空應(yīng)用的市場(chǎng)規(guī)模都很小，因?yàn)槊磕臧l(fā)射的太空船數(shù)量非常有限，針對(duì)航天航空的MEMS市場(chǎng)也不例外。但是從另一方面來(lái)說(shuō)，NASA先行開發(fā)的技術(shù)會(huì)慢慢向軍事以及商業(yè)領(lǐng)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(lái)卻被用于普通消費(fèi)者的鍋碗瓢盆等廚房用具。但是，這種發(fā)展途徑對(duì)MEMS而言卻恰恰相反。 　　“對(duì)許多MEMS器件來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用最先出現(xiàn)在商業(yè)和軍事領(lǐng)域。”36歲的資深軍事研究員John Vig指出。Vig建議美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署（Darpa）實(shí)施RF MEMS開發(fā)計(jì)劃?！癉arpa有一個(gè)非常激進(jìn)的RF MEMS計(jì)劃，而且我確信許多Darpa開發(fā)人員也希望向NASA提交相關(guān)建議?！盫ig透露。 　　針對(duì)地面汽車應(yīng)用的MEMS規(guī)范，同樣也能滿足太空勘測(cè)的要求。畢竟，汽車內(nèi)司機(jī)和乘客的安全與太空飛船中宇航員的安全沒(méi)有太大的區(qū)別。而且，汽車應(yīng)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(cè)的長(zhǎng)壽命要求。 　　“專門針苛刻環(huán)境（例如汽車、軍事和電信市場(chǎng)）而開發(fā)的MEMS傳感器，在航天應(yīng)用中也已被越來(lái)越廣泛地采納。”Garner/Dataquest公司研究半導(dǎo)體制造的副總裁Jim Walker表示。 　　SiTime公司已經(jīng)可以生產(chǎn)頻率高達(dá)125MHz的MEMS晶振，而且正在開發(fā)在同一裸片上集成多個(gè)MEMS諧振器的芯片，以期形成實(shí)現(xiàn)NASA的超微型軟件定義無(wú)線電所需的RF濾波器組。 　　“MEMS是用于太空勘測(cè)的理想技術(shù)?！盨iTime公司首席技術(shù)官Aaron Partridge表示，“MEMS技術(shù)可以利用IC基礎(chǔ)架構(gòu)來(lái)生產(chǎn)體積非常小、功耗非常低的極端可靠器件，而且對(duì)太空中的輻射和極端溫度不敏感。” 　　Discera公司也生產(chǎn)MEMS晶振，目前正在開發(fā)RF MEMS濾波器和其它無(wú)線器件。由于與泰科電子（Tyco Electronics）公司M/A-Com業(yè)務(wù)部簽訂合約，Discera公司的MEMS芯片已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)軍方的振動(dòng)和沖擊免疫性測(cè)試。M/A-Com業(yè)務(wù)部在其智能軍需品的無(wú)線發(fā)送器中使用了Discera的MOS-1 MEMS晶振。在這次軍品測(cè)試中，一些彈頭去掉了彈藥，這樣在發(fā)射出去后可撿回彈殼??而揀回后發(fā)現(xiàn)Discera的晶振仍在正常工作。 　　“我們的產(chǎn)品通過(guò)了軍方的離心機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)50G振動(dòng)、14,000G沖擊、25,000G加速的測(cè)試，達(dá)到了100％的可靠性，每個(gè)器件都在指標(biāo)范圍之內(nèi)，只有百萬(wàn)分之1.4的器件出現(xiàn)了頻率變化?！盌iscera公司首席技術(shù)官Wan-Thai Hsu透露。 　　NASA已經(jīng)開始認(rèn)證用于太空探險(xiǎn)的MEMS晶振，并且發(fā)現(xiàn)MEMS晶振可以工作在很寬的溫度范圍下。NASA負(fù)責(zé)極端溫度電子產(chǎn)品的計(jì)劃經(jīng)理Richard Patterson，在一篇與ASRC Aerospace公司Ahmad Hammoud合著的內(nèi)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(wěn)定性使得它們非常適用于太空勘測(cè)任務(wù)?！? 　　作為航天任務(wù)用MEMS晶振認(rèn)證的第一步，Patterson和Hammoud在極低和極高溫度下測(cè)試了SiTime公司提供的現(xiàn)貨MEMS晶振。 　　“NASA拿到的絕對(duì)是典型器件，而且坦白地說(shuō)，我們并沒(méi)有設(shè)備來(lái)測(cè)試太空船可能達(dá)到的那么冷的溫度?！盨iTime公司的Partridge表示。 　　Patterson和Hammoud發(fā)現(xiàn)，SiTime公司的MEMS晶振可以在+100℃到-100℃下正常工作，范圍超過(guò)了他們規(guī)定的-40℃到+85℃。另外，MEMS晶振還能在-100℃溫度下冷啟動(dòng)，在極端溫度范圍內(nèi)的熱循環(huán)期間其性能也沒(méi)有什么變化。NASA建議在極端溫度下評(píng)估SiTime的MEMS晶振，看是否適合太空勘測(cè)任務(wù)。 　　MEMS晶振只是NASA用于太空勘測(cè)的最新MEMS器件。MEMS加速計(jì)、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(dǎo)航系統(tǒng)在軌運(yùn)行方面發(fā)揮作用已經(jīng)有十多年時(shí)間了。 　　與MEMS晶振類似，MEMS慣性器件的最大優(yōu)點(diǎn)在于它們良好的抗震性以及很小的SWAP（NASA對(duì)尺寸、重量和功率的簡(jiǎn)稱）。 　　“與普通陀螺儀相比，MEMS陀螺儀的體積縮小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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?！盇DI公司應(yīng)用工程師Adam Champy說(shuō)，“它們良好的抗震性源于自身很小的體積，其諧振頻率高達(dá)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(fā)射振動(dòng)的影響。” 　　航天應(yīng)用所使用的MEMS器件在許多方面與其它地面應(yīng)用的要求相同，特別是對(duì)可靠性的要求，它們需要像ADI公司用于觸發(fā)安全氣囊的車用加速計(jì)一樣的超高可靠性。 　　“與其它類型的慣性傳感技術(shù)相比，MEMS具有超高的可靠性。傳統(tǒng)傳感器有許多要由手表制造商裝配起來(lái)的活動(dòng)部件?！盬einberg說(shuō)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(dǎo)致焊點(diǎn)開路和各種其它故障。相反，我們的加速計(jì)和陀螺儀使用單片硅替代了全部的復(fù)雜電路。因此沒(méi)有太多出錯(cuò)的機(jī)會(huì)?！? 　　很多電子器件故障的源頭都是來(lái)自它們的互連，NASA表示。因此通過(guò)取消電路板互連并將之集成進(jìn)片上電路后，MEMS芯片基本上消除了機(jī)械器件的疲勞源（sources of fatigue）。 　　“當(dāng)硅片在小范圍內(nèi)使用時(shí)，幾乎是一種理想的機(jī)械單元?！盬einberg表示，“基本上沒(méi)有磨損機(jī)制。有證據(jù)證明，ADI已經(jīng)有3億個(gè)MEMS器件投入使用，至今還沒(méi)有一個(gè)由于磨損而出現(xiàn)問(wèn)題?！? 　　另外，即使在MEMS器件發(fā)生故障時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)與疲勞無(wú)關(guān)，它們通常也都具有內(nèi)置的自檢功能，能幫助地面上的NASA工程師遠(yuǎn)程診斷問(wèn)題。 　　“人類目前所擁有的、能做或想做的東西中，沒(méi)有一個(gè)能達(dá)到100％的可靠性，所以我們開發(fā)了MEMS器件，在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行通知。”Weinberg說(shuō)，“我們所有的MEMS器件都內(nèi)置自檢系統(tǒng)，而且覆蓋率很高，這就意味著，只要器件通過(guò)了自檢，你就可以相信器件是沒(méi)有問(wèn)題的。” 編輯：何世平