微機械技術在航天傳感器技術中的應用研究

呂雪燕 ，劉國慶，陳榮明

空軍航空大學航空機械工程系，吉林 長春 130022

0 引言

微機械技術是與微電子技術密切結合的一種新技術，它憑借著智能化、系列化、微型化、分辨力高等一系列的優越性能，迅速在世界得到發展。它成功地開發出了一批微傳感器，并在航空航天系統應用中嶄露頭角，使傳統的傳感器相形見拙。可見，采用微機械技術制造的各種微傳感器必將成為21世紀航天傳感器的主流，對航天傳感器的發展也有巨大的推動作用。

1 微機械技術對航天傳感器的作用

微機械技術從開發的傳感器看，已由力學量發展到電、光、熱、輻射和生物等諸多傳感器領域，發展成由表面加工到與體加工相結合的一種三維加工技術，應用前景相當廣泛。近年來，我國學術界多次召開了微機械技術研究會議，從一開始也有專家預言，微機械技術會如微電子技術一樣發生很大變革，會像微電子一樣給社會帶來深刻的影響。而當今微機械技術也確實成為了美國、瑞士以及德國等國家當前急需發展的新技術，他們各國先后均花巨資來建立微機械技術研究中心。由此可見，微機械技術的應用前景不可估量。

當前，微機械技術是研制航天傳感器，發展先進的導彈、小衛星多目標測控的航天傳感器技術的關鍵。其實，航天工程早在微機械技術發展前期，就應用該技術在短時間內實現了航天傳感器的產業化，而微機械技術也憑借它一系列優越的性能占領航天傳感器市場。目前，應用微機械技術的產品非常之多，比如：英國采用的航天電容式液位傳感器以及法國5號火箭采用的濺射薄膜壓力傳感器等。另外，微機械技術還與計算機軟件技術把傳感器推向一個更高的層次， 而這正是未來航天型號安控檢測和故障檢測系統所需要的。

2 微機械技術在航天傳感器技術中的應用研究

2.1 發展航天傳感器技術的核心技術

發展航天傳感器的核心技術就是微機械技術。目前，由于我國航天各型號測控系統的需求，航天系統成功地研制了航天需要的力學量、熱學量、運動量等10多種測量參數以及400多個不同規格的傳感器變換器系列， 極好的滿足了航天各型號測控系統的需求，促進了航天型號的發展。而航天型號的發展也對傳感器提出了更高的需求。根據我國航天系統傳感器專家研討，微機械技術擁有一系列優越性能，只有采用微機械技術才能較好的滿足航天新型號的新需求。主要體現在以下幾個方面：

1）微傳感器微型化且智能化

航天武器型號的小型化和機動性要求傳感器更加小型化，而采用傳統技術制成的傳感器，每件的平均重量最低不會少于50g～100g，并且如果進一步對其進行小型化，就會使傳感器的的性能下降。特別是現在小衛星、戰術導彈和子彈頭測控系統更是要求微型化的傳感器。

另外，航天傳感器的發展方向是實現傳感器的智能化和集成化，這對于航天型號的發展和實現型號的安全檢測和故障診斷都是十分重要的，并在此基礎上開發傳感器微系統。這些目標，主要依靠微機械技術才能實現。近幾年，航天傳感器界也正在熱心研究并應用微機械技術。

2）微傳感器優質且廉價

微機械技術不僅性能優越，采用微機械加工的傳感器更是批量化多元件生產，自然制成的微傳感器性能優質且價格低。其性能價格遠比傳統的單件生產的傳感器要高，國外已出現了優質廉價的軍用航天傳感器，其市場占有率也正在不斷擴大。

3）微傳感器的可靠性

傳統傳感器的敏感元件等重要件加工主要是依靠手工操作，而手工操作會存在一定的限制性，使得傳感器的可靠性難以提高。而微機械加工是在超凈環境中自動化批量生產，能提高航天傳感器的可靠性和一致性。所以，只有依靠微機械技術才能實現航天傳感器的高度可靠性。

2.2 航天傳感器技術中的微機械技術

為了發展航天傳感器技術，需要研究的微機械技術主要有微傳感器的CAD技術。結合航天傳感器的使用要求開展的微傳感器結構版圖設計，通常要在數據庫支持下進行仿真和設計，并借助CAD來完成。

2.2.1 微傳感器后工序工藝技術

其主要技術包括穿線與密封技術、微結構的真空密封技術等。其中穿線與密封技術是微傳感器的關鍵技術，它能提高傳感器的性能、成品率，且能降低成本。穿線與密封技術主要是采用橫向和縱向兩種穿線方法。橫向穿線就是先用摻雜多晶硅做出外引線，并在1100℃下高溫處理，使磷硅玻璃流動填平表面，隨后再淀積鈍化層和多晶硅，開出引線孔，這樣就可進行靜電封接，橫向穿線主要是是填平由于橫向引線造成的表面不平整。而縱向穿線就是在封接前，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，最后再用導電膠連接外引線，使之完成密封和引線雙重任務。

同時，微結構的真空密封工作也很重要，其在真空中進行靜電封接容易出現真空放電，故使得真空密封難度較大，封接后也難以達到高真空。

2.2.2 基本加工工藝技術

其主要技術包括深腐蝕加工工藝技術、表面加工工藝技術以及體加工工藝技術。傳感器要制造出深度為十微米以上的垂直壁，就必須對硅作深腐蝕，可用常規的腐蝕方法其側向腐蝕較嚴重，所以很難實現硅的深腐蝕。近期來，不僅出現了采用平行度很高的紫外線代替X射線對光敏聚酰亞胺技術，還出現了采用等離子刻蝕垂直深槽的技術，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構。

同時，表面加工工藝技術主要是采用硅片作襯底，利用多晶硅層等來制造傳感器的微機械結構。近幾年，表面加工技術取得了長足的進步。它可以將傳感器與集成電路做到一個基片上，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雜得多，但它的機械性能非常好，所以，現在國外許多加速度傳感器仍是采用此工藝技術來制作的。

3 結論

航天傳感器新型號對技術與產品的需求，只有依靠微機械技術才能實現。微機械技術是20世紀末迅速發展的新技術，也必將成為21世紀發展的高技術。采用微機械技術制造的微傳感器，也必將占領21世紀傳感器市場的主導地位。可以預言，在未來，微機械技術對于科技技術現代化，尤其是航天工程技術的發展必定起到重要作用，航天傳感器技術也定會隨著微機械技術的發展而有所突破的。

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