顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術系列之微系統(tǒng)技術

微系統(tǒng)是以微納尺度理論為支撐，以微納制造及工藝等為基礎，不斷融入微機械、微電子、微光學、微能源、微流動等各種技術，具有微感知、微處理、微控制、微傳輸、微對抗等功能，并通過功能模塊的集成，實現(xiàn)單一或多類用途的綜合性前沿技術。微系統(tǒng)是一項多學科交叉的新興高新技術，在信息、生物、航天、軍事等領域具有廣泛的應用前景，對于國家保持技術領先優(yōu)勢具有重要意義。

引發(fā)武器裝備重大變革

與傳統(tǒng)裝置相比，微系統(tǒng)由于將各種功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等優(yōu)點，廣泛應用于儀器測量、無線通信、軍事國防、生物化學、能源環(huán)境等領域。微系統(tǒng)技術正處于向大規(guī)模應用轉(zhuǎn)化的關鍵階段，由微器件技術制造的芯片已經(jīng)在諸多領域得到應用，將對武器裝備發(fā)展與作戰(zhàn)影響深遠。

微系統(tǒng)對于武器裝備發(fā)展具有革命性的影響。微系統(tǒng)技術將多種先進技術高度融合，將傳統(tǒng)各自獨立的信息獲取、處理、命令執(zhí)行等系統(tǒng)融為一體，能夠促進武器裝備微小型化和智能化，對于加速武器裝備系統(tǒng)性能的全面提高，有效降低尺寸、重量與成本等具有革命性的影響。例如，采用微系統(tǒng)技術制造的導彈加速度計和陀螺儀的價格僅為原來的1/50，采用微系統(tǒng)技術研制的芯片級原子鐘將比傳統(tǒng)原子鐘體積縮小100倍；由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主持、霍尼韋爾公司研制的“T-鷹”微型無人機已在阿富汗戰(zhàn)場得到了實戰(zhàn)檢驗，其質(zhì)量僅為9千克，可飛行50分鐘。

微系統(tǒng)技術是DARPA近十年來大力發(fā)展的現(xiàn)代前沿技術，對美國保持其國防科技領先優(yōu)勢具有重要意義。自1992年以來，DARPA微系統(tǒng)技術辦公室已經(jīng)對微處理器、微機電系統(tǒng)和光子元器件等微電子產(chǎn)品進行了預先戰(zhàn)略投資，取得了顯著成果。近年來，DARPA微系統(tǒng)技術辦公室先后組織實施了上百項與先進微系統(tǒng)技術密切關聯(lián)的研究開發(fā)計劃，所涉及的項目全面覆蓋了先進電子元器件和集成電路發(fā)展的前沿領域，例如寬禁帶半導體技術、先進微系統(tǒng)技術、電子和光子集成電路、焦點中心研究計劃、自適應焦平面陣列、光纖激光器革命、太赫茲成像焦平面技術、微機電系統(tǒng)（MEMS）、微型同位素電源等幾十項研究計劃。

DARPA 實施的典型微系統(tǒng)項目

為了應對新的安全挑戰(zhàn)，DARPA微系統(tǒng)辦公室目前已著手開發(fā)新一代微系統(tǒng)技術。2013年1月，DARPA和美國半導體研究聯(lián)盟共同宣布開展半導體技術跨代研究，實施“半導體技術先期研究網(wǎng)絡”（STARnet）計劃。該計劃的目標是，攻克影響下一代半導體技術長期性發(fā)展的全局性重大技術難題，發(fā)展新原理、新材料、新技術、新器件、新型片內(nèi)微架構(gòu)、新型系統(tǒng)集成方式和全新應用方式，使微納電子技術發(fā)展擺脫CMOS器件的固有模式和局限，改變數(shù)十年來“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式，使下一代半導體技術在新基礎上獲得更大發(fā)展空間，使美國半導體技術在未來數(shù)十年繼續(xù)保持領先地位。

微系統(tǒng)關鍵技術取得多項突破

微系統(tǒng)涉及微處理器、微機電系統(tǒng)、微電子、微集成等多個技術領域。近年來，微系統(tǒng)相關技術發(fā)展迅速，微系統(tǒng)集成方法與工藝有了新的突破，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小，微處理器、微射頻器等性能進一步提升，碳化硅與氮化鎵等第三代半導體材料器件日益成熟并進入應用階段，為微系統(tǒng)技術發(fā)展提供了有效支撐。

微傳感器是傳感技術微型化的基礎，是微系統(tǒng)的重要基礎技術。近年來，微傳感器性能不斷提升，可感知對象不斷豐富，在生物醫(yī)學及消費電子產(chǎn)品等領域中得到了廣泛應用，對各種傳感裝備的微型化發(fā)展起著巨大的推動作用。例如，DARPA近年來開展研制獨立的芯片級慣性導航和精確制導系統(tǒng)部件，降低武器系統(tǒng)對GPS系統(tǒng)的依賴，新器件比傳統(tǒng)慣性器件尺寸更小、重量更輕、功耗更低，其工作功率不超過幾十毫瓦。

采用14納米工藝的英特爾處理器

微處理器向著小線寬、低功耗、高性能、智能化方向發(fā)展。2011年，三柵晶體管結(jié)構(gòu)微處理器實現(xiàn)量產(chǎn)，標志著晶體管結(jié)構(gòu)從平面到立體的根本性轉(zhuǎn)變，其性能提升37%，功耗降低了50%，成為半導體發(fā)展50年來最重要的突破；2013年，美國啟動下一代空間微處理器項目，其目標是發(fā)展24個支持32位計算的處理器內(nèi)核，支持100億次/秒浮點運算，功率不超過7瓦，具有4～8個第三代或第四代雙倍速率同步存儲器端口；2014年，IBM公司宣布成功研制第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構(gòu)類似人腦，集運算、通信、存儲功能于一體。

微系統(tǒng)制造工藝有了大幅提高，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小。2014年，美國和日本先后展示了采用14納米工藝實現(xiàn)的微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列產(chǎn)品，以及15納米工藝實現(xiàn)的閃存；2014年，三星公司14納米三柵極FinFET芯片工廠已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，相比20納米半導體工藝，14納米工藝可以將處理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面積減少15%。借助14納米工藝，微處理的性能在進一步提高的同時，功耗和成本有所降低。

微集成技術正在由平面集成向三維集成發(fā)展，由芯片級向集成度和復雜度更高的系統(tǒng)級發(fā)展。微集成技術的成熟將帶動具備傳感、處理、控制等多種功能的微系統(tǒng)快速發(fā)展，在大幅提升性能的同時，實現(xiàn)能耗和體積數(shù)十至數(shù)百倍的降低。在集成技術方面，開展了“三維集成電路”和“多方式異構(gòu)集成”等三維集成技術研究，多個低功率、小信號、同質(zhì)微電子器件的三維集成已成為標準工藝；微/光電子、微機電系統(tǒng)等多種器件間的集成獲較大進展。DARPA在2011年啟動“電子-光子混雜集成”（E-PHI）計劃，目標是將高速電子直接與芯片級的光子微系統(tǒng)集成到一個微型硅芯片上，2014年該項目成功地在硅片上集成數(shù)十億個發(fā)光點，發(fā)出有效的硅基激光。

微射頻集成芯片實現(xiàn)新突破，二維光學相控陣列等新型光電集成器件問世。DARPA在“高效線性全硅發(fā)射機集成電路”項目下成功研制出首個可工作在94吉赫的全硅單片集成信號發(fā)射機系統(tǒng)級芯片，將原本由多個電路板、單獨的金屬屏蔽裝置和多條輸入/輸出連線組成的發(fā)射機集成到了一個只有半個拇指指甲蓋大小的硅芯片上，實現(xiàn)了硅基射頻器件輸出功率和效率的大幅提升，以及硅數(shù)字信號器件和射頻器件的單片集成，標志著全硅系統(tǒng)級芯片首次達到毫米波范圍。此項技術有望為未來軍用射頻系統(tǒng)提供新的設計架構(gòu)，使下一代軍用射頻通信系統(tǒng)體積更小、重量更輕、成本更低、功能更強。2013年，DARPA開發(fā)出二維光學相控陣芯片，將4096個納米天線集成到一個硅基底上，尺寸只有一個針尖大小，該芯片的成功表明異質(zhì)、異構(gòu)硅基光電集成技術取得重要進展。實現(xiàn)這一突破的關鍵是：一種可以擴展以容納大量納米天線的設計；新的微尺寸加工工藝；將電子和光學部件集成到一塊單獨的芯片。

轉(zhuǎn)化應用進入快車道

隨著微系統(tǒng)技術不斷發(fā)展，其應用領域也在不斷擴展。微系統(tǒng)技術在導彈、飛行器、雷達、生物醫(yī)學等領域應用日益廣泛，產(chǎn)生了顯著的效益。

利用微系統(tǒng)技術發(fā)展的微慣性測量裝置具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、抗振動、抗沖擊能力強和集成化程度高等優(yōu)點，適用于各種武器的制導系統(tǒng)、光學伺服穩(wěn)定機構(gòu)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等，對于小型飛行器導航、制導與控制領域的發(fā)展具有重要意義。國外研制的部分微型慣性測量裝置已經(jīng)具有戰(zhàn)術級精度，在制導武器中開始大量應用。例如，美國諾斯羅普·格魯曼公司制造的SiACTM加速度計，具有戰(zhàn)術和導航兩種級別的精度，已經(jīng)在“先進中程空空導彈”“制導多管火箭系統(tǒng)”以及指揮直升機上得到應用。微處理器是微系統(tǒng)技術在導彈中的另一個主要應用，高性能微處理器的應用使導彈制導能力得到進一步提升。

微系統(tǒng)技術的發(fā)展促進了微小無人裝備的發(fā)展，近期在微小無人飛行器和微型機器人等方面均取得了新進展。DARPA從2009年就啟動了混合昆蟲微機電計劃，目的是發(fā)展可以控制昆蟲運動的技術，該項目承研單位美國密歇根大學和猶他大學2012年研發(fā)出一個原型，可以讓半機械甲蟲通過植入方式，利用翅膀震動產(chǎn)生電能。2014年5月，美國洛克希德·馬丁公司推出“矢量鷹”多任務微型無人機，起飛總重只有約1.8千克，其縱向剖面只有約10厘米，擁有一流的載荷、速度和航時能力。“矢量鷹”微型無人機可以在戰(zhàn)場上根據(jù)各種任務重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和傾轉(zhuǎn)旋翼型。由于具備開放式體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)的型式、自適應數(shù)據(jù)鏈以及載荷可擴展等特性，“矢量鷹”具備廣泛的使用范圍和較強的適應能力。

2014年，美國哈佛大學的一個研究小組開發(fā)出了一款名為Kilobot的機器人。這款機器人直徑約為2.5厘米，能夠與其他同種類型的機器人共同協(xié)作完成任務。機器人系統(tǒng)是一個由1024個Kilobot機器人組成的“團隊”，可以依靠自身的振動來移動，并能與附近其他的Kilobot機器人交流。Kilobot機器人內(nèi)置微處理器，能維持至少3小時的操作，帶有兩個振動馬達，通過三個腿向左、向右或水平向前移動。Kilobot底部配有一個廣角紅外收發(fā)器，可以發(fā)射光束到光滑面上，同時也可以接受相鄰Kilobot反射的光束，通過這種方式實現(xiàn)彼此間的互動，判斷彼此間的距離。同時，美國陸軍研究實驗室正在研發(fā)面向未來的軍用微型機器人，能執(zhí)行隱蔽監(jiān)聽和監(jiān)視可疑敵對目標任務，幫助士兵和指揮員進行態(tài)勢評估。美國陸軍研究實驗室演示驗證了利用微機電系統(tǒng)制造工藝開發(fā)出的仿昆蟲三關節(jié)腿式毫米級自主機器人系統(tǒng)，目前正在開發(fā)和測試毫米級的機器人腿形結(jié)構(gòu)，包括壓電薄膜制動器和銅薄膜分段結(jié)構(gòu)，目的是用于模擬腿部動力學，使其具備移動、提升和抗沖擊能力。

“矢量鷹”微型無人機

Kilobot機器人團隊

微系統(tǒng)在雷達方面得到了廣泛應用，在提高雷達性能的同時大幅縮小其重量和體積。2014年10月，美國“陸軍聯(lián)合陸上巡航導彈組網(wǎng)防御傳感器系統(tǒng)”（JLENS）系統(tǒng)通過關鍵里程碑測試，并于12月在美國馬里蘭州的阿伯丁地面試驗場正式部署，標志著由MEMS開關組成的雷達天線已經(jīng)進入應用階段。JLENS上安裝了X波段的MEMS電掃描相控陣，該天線陣面積僅0.4平方米，使用了2.5萬只射頻MEMS開關，實現(xiàn)了±60°電掃描角度，空中探測距離超過20千米。

利用微系統(tǒng)技術可以制造體積非常小且具有一定功能的產(chǎn)品，在醫(yī)療植入、生命體征檢測等生物與健康領域取得了較大進展。DARPA與美國國立衛(wèi)生研究院研發(fā)了基于MEMS的“片上人體系統(tǒng)”，該項目基于MEMS技術開發(fā)微流體芯片來模擬人體的實際生理反應，目的是加速新藥物的研發(fā)速度和效率，并提供快速檢測不明物質(zhì)毒性的方法。2014年1月，谷歌公司發(fā)布了一款智能隱形眼鏡，可通過分析佩戴者淚液中的葡萄糖含量幫助糖尿病患者監(jiān)測血糖水平，從而免去糖尿病患者取血化驗的痛苦。該隱形眼鏡內(nèi)置上萬個微型晶體管和細如發(fā)絲的天線，以無線形式發(fā)送到智能手機等移動設備上。2014年11月，美敦力公司發(fā)布了全球最小的心臟起搏器Micra，Micra通過微創(chuàng)方式，由腿部血管進入心臟，體積僅為傳統(tǒng)起搏器的1/6。

結(jié)語

當前，微系統(tǒng)技術正從平面集成到三維集成、從微機電/微光電到異質(zhì)混合集成、從結(jié)構(gòu)/電氣一體化到多功能一體化集成等方向發(fā)展，并正與生命科學、量子技術、微納前沿交織融合。微系統(tǒng)相關產(chǎn)品也正從芯片級、組部件級向復雜程度更高的系統(tǒng)級（微型飛行器、片上實驗室）等發(fā)展，成為聚集前沿科技創(chuàng)新發(fā)展的重要領域。微系統(tǒng)技術對武器系統(tǒng)小型化、智能化和輕量化將產(chǎn)生顛覆性影響，在一定程度上將改變未來戰(zhàn)爭作戰(zhàn)模式。

運用微系統(tǒng)技術的隱形眼鏡