微系統技術發展和應用

湯曉英

(南京電子技術研究所， 南京 210039)

·總體工程·

微系統技術發展和應用

湯曉英

(南京電子技術研究所， 南京 210039)

作為軍事裝備自主可控和信息化武器系統微型化、集成化、智能化發展的重要支撐，微系統技術在軍事競爭中具有重要的戰略意義，受到國外軍事強國的高度重視，被美國國防先期研究計劃局列為戰略發展重點，并設立專門辦公室加強技術研究和應用開發，不斷加快微系統的發展，推進在武器裝備系統中的應用。文中從微系統研究項目、元器件技術、集成技術、算法與架構、熱管理技術等方面介紹了國外微系統發展現狀，描述了微系統在雷達、通信、電子戰等領域的應用情況，分析了微系統技術發展方向和研究重點，提出了我國發展微系統技術的建議。

微系統；微電子；光電子；微機電系統；集成

0 引 言

微系統是以微電子、光電子、微機電系統(MEMS)為基礎，結合體系架構和算法，運用維納系統工程方法，將傳感、通信、處理、執行、微能源等功能單元，在維納尺度上采用異構、異質等方法集成在一起的微型系統。美國國防先期研究計劃局(DARPA)將微系統定義為在微電子、微機械、微光學等基礎上把傳感器、驅動器、執行器和信號處理器等集成在一起的具有一種或多種功能的裝置。與傳統集成電路主要實現計算、信號處理或信號存儲等單一功能不同的是，微系統能夠完成信號感知、信息處理、信令執行、通信和電源等多種功能，正向芯片級系統和跨域應用智能信息處理平臺芯片發展。微系統迎合了未來武器裝備信息平臺芯片化發展的需求，也是后摩爾時代軍用電子系統發展的方向，其前景日益受到軍事強國的重視，美國、歐洲、日本都設立了項目進行技術開發[1]。在微系統的發展上，DARPA提出了兩個“100倍”目標，即探測能力、帶寬和速度比目前的電子系統提高100倍以上，體積、重量和功耗下降到目前電子系統的1/ 100～1/ 1 000。

1 軍用微系統發展現狀

1.1 研究項目

美國根據智能化程度將微系統分為四個級別：固定功能、可重構、自適應和智能。目前，微系統技術已經發展到集成微系統階段，在功能構成上對應于可重構和自適應兩個智能級別。美國、歐洲從各方面設立了項目，主要包括：電子元器件技術、集成技術、算法與架構、支撐技術等四大類，各類又包含子領域技術，具體項目在子領域技術下開展，具體項目如圖1、圖2所示。

1.2 微系統相關元器件技術

微系統元器件呈現出兩個方向的發展特點，一是各類電子元器件自身持續向小型化和集成化發展；二是集成了微電子器件和光電子器件優勢的光電集成器件發展需求迫切，發展迅速。

圖1 美國DARPA微系統重點在研課題

圖2 歐洲微系統重點在研課題

1.2.1 微電子技術

微電子器件是先進電子裝備的基礎和核心，得到軍事強國的一致重視，常以戰略性超前部署，保證微電子器件的發展速度與軍事需求相匹配。微電子器件主要分為第一代硅基器件、第二代化合物半導體器件、寬禁帶半導體，以及可替代硅的各種新材料器件等幾個方面。

1)模數轉換器(ADC)

ADC是連接模擬信號和數字信號的橋梁，隨著電磁頻譜競爭日益激烈，需要開發超高速ADC，并盡可能向前端靠攏，從而提高雷達、通信、電子戰等系統的靈活性和工作性能。2016年1月中旬，DARPA“商用時標陣列(ACT)”項目取得重大進展，開發出了超高速ADC，采樣速度達到600億次/s，是現有商用ADC的10倍，能夠探測和分析30 GHz以下頻段內的信號，基本覆蓋現有雷達、通信、電子戰等武器裝備的工作頻段，將顯著提升士兵在戰場上態勢的感知能力。

2)磁阻隨機存儲器(MRAM)

MRAM根據在不同磁化方向表現的磁阻高低來記錄0和1，兼具SRAM的高讀寫速度、動態隨機存儲器(DRAM)的高集成度和閃存的非易失性，具備成為通用存儲器的潛力，還有功耗低、壽命長和抗輻射能力強等優點，軍事應用潛力巨大，美國DARPA、歐盟都設立了專門項目推動MRAM的發展。2016年1月，美國Cobham半導體公司宣布其非易失性存儲器產品UT8MR8M8和UT8MR2M8獲得合格供應商目錄V級抗輻射認證，滿足宇航應用需求。該產品工作電壓為3V，工作溫度為-40℃～105℃，抗輻射能力為100 krad～1 Mrad，SEL效應大于100 MeVcm2/mg，數據存儲時長大于20年，可進行無限次數據讀寫，可替代3.3 V SRAM，適用于需高速反復讀寫的存儲器應用領域。

3)高效線性全硅發射機集成電路(ELASTx)

由于硅材料器件所能耐受的擊穿電壓較低，毫米波功率放大器多采用以砷化鎵、氮化鎵為代表的化合物半導體材料，限制了系統集成度，也無法兼顧線性度和能效要求。DARPA在2010年啟動了ELASTx項目，希望使用先進的硅工藝，研制出具有高功率、高能效和高線性度的單芯片毫米波發射機集成電路。2013年，ELASTx團隊采用多層堆疊45 nm絕緣體上硅CMOS工藝制造出硅基功率放大器，輸出功率在45 GHz達到0.5 W；采用0.13 μm硅鍺雙極CMOS工藝制作出硅基功率放大器，輸出功率在42 GHz達到0.7 W。為提高輸出功率，兩種方式均使用了多級功率放大結構和片上多路功率合成技術。2014年，ELASTx團隊又研制出首個可工作在94 GHz的全硅單片集成信號發射機SoC，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，實現了硅基射頻器件輸出功率的大幅提升，以及硅數字信號器件和射頻器件的單片集成，如圖3所示。此項技術突破有望為未來軍用射頻系統提供新的設計架構，使下一代軍用射頻系統體積更小、重量更輕、成本更低和功能更強。

圖3 DARPA 94 GHz全硅片上系統發射機

4)氮化鎵器件

氮化鎵器件具有功率高、體積小、重量低等顯著優勢，已在雷達、通信、電子對抗等軍事裝備和商業市場廣泛應用[2]。2016年3月，美國Navitas公司采用“AlGaN”工藝設計出650 V單片集成氮化鎵功率場效應晶體管，以及氮化鎵邏輯和驅動電路，其開關頻率達到現有硅基電路的10～100倍，帶來更小、更輕和更低功率成本的功率電子器件。2016年4月，美國Wolfspeed公司宣布其碳化硅基氮化鎵射頻功率晶體管完成性能測試，符合美國NASA衛星和宇航系統所需的可靠性標準。

5)硅可替代材料

在硅可替代材料方面，石墨烯一度被認為是最有可能替代硅的材料，一方面石墨烯大面積制造工藝尚未突破，另一方面石墨烯沒有帶隙，限制了在高速數字集成電路中的應用。為此，一方面研究為石墨烯注入帶隙；一方面研究其他可替代硅的材料，如氧化鎵、黑砷磷等[3]。2016年6月，在美國能源部科學辦公室和基礎能源科學辦公室、能源部科學用戶設施實驗室、美陸軍研究實驗室武器和材料司令部的支持下，美國密歇根理工大學的研究人員實現了石墨烯薄片和氮化硼納米管兩種材料間的無縫連接，所形成的異質結體現出開關行為特征。2014年5月，美國空軍研究實驗室發布合同聲明，指出β-Ga2O3禁帶寬度達到4.8 eV，擊穿場強達到8 MV/cm，大約是碳化硅和氮化鎵的2～3倍，有望為雷達、電子戰和通信系統的一系列軍用射頻和開關器件帶來成本、體積、重量和性能方面的變革，而實現這一切的核心是實現β-Ga2O3襯底。2016年3月，美國Kyma公司和空軍研究實驗室聯合研制出在商用β-Ga2O3襯底體上同質生長外延層的新工藝技術。

1.2.2 光電子器件技術

隨著電傳輸在功耗和速度上面臨的多重限制，光傳輸成為持續發展的重點研究領域，其中光電器件小型化和光電集成是發展重點[4]。2015年12月，DARPA發布模塊化光學孔徑構建塊(MOABB)項目，尋求開發采用自由空間光學技術的輕小型光電傳感器熊，達到超小尺寸、超低重量和成本，遠快于現有掃描速度的要求；2013年，歐洲發起了歐洲光電子公私合作計劃，強化歐洲在光電子領域的領導地位，該計劃于2016年2月得到歐盟3 500萬歐元的支持，用于建造3條光電子器件和電路的試產線，目標是滿足對中紅外傳感器的需求。為了實現光電集成，DARPA開展了光學優化嵌入式微處理器(POEM)項目和嵌入式計算技術能量效率革命(PERFECT)項目；歐盟也于2016年2月啟動硅基直接調制激光(DEMENSION)項目，建立一個真正的單片光電集成平臺，實現在硅芯片上制造有源激光組件。

1.2.3 微機電系統器件技術

MEMS器件技術一是研究能使傳統機械結構小型化的技術，二是探索在真空電子器件中的應用，通過實現傳統真空器件組成部分的小型化形成微真空器件。2013年11月，美國DARPA“太赫茲電子學”項目研究人員在諾·格公司研制的1 cm寬行波真空管基礎上，通過采用微真空電子器件的設計思路、微電子器件和微機電系統的制造工藝和材料，研制出世界上首個可工作在0.85 THz的真空管放大器。

1.2.4 微能源器件技術

2016年6月，芬蘭愛爾蘭延德爾國家研究院技術研究中心結合維納加工工藝和新研究出的混合納米材料，研究出能與硅基微電子器件單片集成的微型超級電容器，具備超高能量和集成度等優勢，電容值最高達到15 F/cm3，能量密度最高達到1.3 mWh/cm3，功率密度最高達到214 W/cm3。

1.3 集成技術

美國國防部在20世紀90年代末率先提出采用異構集成技術將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合在一起，開發芯片級集成微系統的概念，至此開始三維集成系統的研究。三維集成系統通常采用先進的基于硅過孔(TSV)技術，把RF前端、信號處理、數據存儲、傳感、控制甚至能量源等多種功能垂直堆疊在一起，以達到縮小尺寸、提高密度、改善層間互聯、提高系統功能的目的，從而使武器系統實現多功能和小型化。根據國際半導體技術路線圖，三維集成技術是未來關鍵發展技術之一，是克服由信號延遲導致的“布線危機”的關鍵技術解決方案。隨著電子產品不斷向小型化、輕重量和多功能方向的推進，經過多年發展，三維集成技術逐漸形成了兩大主流趨勢：三維單片集成和三維封裝技術，它們分別發展成為IC芯片領域和IC封裝領域的領先型技術。2016年3月，IMEC公司在OFC上展示了基于晶圓級集成硅光電平臺(iSiPP)上的多種硅光電集成器件的發展，可有效支持50 Gb/s不歸零(NRZ)通路數據速率通信的發展，滿足高密度、寬帶寬、低功耗遠程通信和數據通信收發機以及激光雷達等傳感器低成本、大批量應用需求，成為高速硅光電集成器件發展史上的又一重要里程碑。

1.4 算法與架構

隨著元器件技術向系統方向發展，系統架構和算法所占的比重日益增加，成為微系統技術發展的重點，重要體現在數據融合、智能自主、提高頻譜利用率等方面。

多傳感器數據融合可有效提升整個傳感器系統信息的有效度，比如F-35戰斗機的全傳感器融合系統能夠利用所有機載傳感器的信息生成一體化作戰圖，并通過安全數據鏈與其他飛行員及指控中心自動共享。美國國防部從算法和硬件兩方面加強信息的自主處理能力。算法方面，DARPA自2008年起開展了“視頻信號和圖像搜索分析工具(VIRAT)”項目和“持久監視開發和分析系統(PerSEAS)”項目，啟動了對海量視頻檢索技術的研究，并于2014年發布了“拒止環境下的協同作戰(CODE)”項目，開發高級協同自治算法和軟件，使現有無人機平臺能在拒止環境下有效運作[5]。硬件方面，DARPA于2008年啟動為期6年的“神經形態自適應可塑電子系統(SyNAPSE)”項目，2013年啟動為期4年的“傳感與分析用稀疏自適應局部學習”項目，開發可在大小、處理速度和能耗方面可與真實大腦媲美的神經形態芯片。2016年2月，麻省理工學院在DARPA支持下研制出以神經網絡形態為架構的可進行深度學習的芯片Eyeriss，效能是普通移動處理器的10倍，可在不聯網的情況下執行人臉辨別等功能。

1.5 熱管理技術

隨著電子元器件尺寸不斷縮小，集成度提高和功能日益復雜，芯片單位面積內產生的熱量急劇增加，已成為制約電子元器件發展的重要因素[6]。傳統將熱量導出再使用空氣冷卻的遠程散熱方式已無法滿足要求，限制了器件集成度的進一步提升，導致先進計算機、雷達、激光器、功率源等軍用裝備中熱管理部分所占體積和重量持續上升。為滿足未來電子元器件對體積、重量和功耗的要求，以美國DARPA為代表的國防機構和企業積極開展散熱技術的研究。

2009年，DARPA啟動熱管理技術(TMT)項目群，引入新型納米結構、材料和先進冷卻技術降低熱傳輸環節上的熱阻，該項目包含主動冷卻模塊(ACM)、風冷交換器微技術(MACE)、熱地平(TGP)、納米熱界面(NTI)和近結熱傳輸(NJTT)。其中近結熱傳輸是研究的重點，也是熱管理技術由器件外部轉向內部的分水嶺。為了進一步加強芯片內部散熱技術的研究，DARPA在2012年6月發布ICECool項目公告，開發可將微通道直接嵌入芯片或封裝體中的微細加工技術，在納米尺度實現對流或蒸發等微冷卻技術，使電子元器件具備芯片級散熱能力，達到熱流1 kW/cm2，熱密度超過1kW/cm3，局部亞毫米級的熱流密度超過5 kW/cm2的目標[7]。2016年3月，美國洛﹒馬公司研制出內嵌芯片級微流體散熱通道的散熱片，尺寸僅為厚250 μm，長5 mm，寬 2.5 mm，如圖4所示，所含冷卻用水量不足一滴，但足以冷卻最熱的電路芯片。美國IBM公司在DARPA的發展思路上更進一步，2013年3月提出利用仿生學原理，開展“電子血液”研究，擬通過芯片內部電解液的流動，同時實現芯片冷卻和供能，其最終目標是將芯片體積壓縮到原來的百萬分之一，能效提升10 000倍。IBM計劃在該研究的基礎上，開發1 018次級微服務器原型，為未來平方千米(SKA)射電望遠鏡等大型傳感器網絡提供實時大數據處理能力。2013年10月，IBM制造出可利用“電子血液”進行散熱和供能的計算機原型，通過電解液取代電線供電和風能散熱，從而節省大部分空間，提高芯片密度。

圖4 洛馬公司采用內置微流體冷卻的緊湊散熱板

1.6 其他技術

在微系統技術領域，各國還對生物可分解器件、用于攻擊和防守的集成電路安全技術、防止性能減退或失效的自修復技術等進行了研究。

2 軍用微系統技術應用

微系統能夠極大地提高武器系統的機動性和隱蔽性，改變戰場情報獲取樣式，帶來戰爭形態的本質變革。當前部分新型微系統技術已開始進入實用化階段，如芯片級原子鐘、芯片衛星、微型雷達等。

2.1 雷達應用

2016年4月，德國弗勞恩霍夫研究所應用固態物理IAF分部研發出一種新型高集成度毫米波雷達掃描儀，如圖5所示。工作頻率為94 GHz，帶寬為15 GHz，作用距離達數百米，高頻模塊采用InGaAs器件技術和特種印制電路板，用來替代傳統龐大、笨重的波導，印制電路板尺寸僅為78 mm×42 mm×28 mm，整個雷達模塊的大小與一個煙盒類似，適用于工業傳感、飛行安全監控等。

圖5 弗勞恩霍夫研究所雷達掃描儀及其組成部分

2016年7月，雷聲公司被美國陸軍研究實驗室授予陸軍“下一代雷達(NGR)”合同， 研發可縮放、敏捷、多模射頻前端技術(SAMFET)，改進依賴雷達的防空反火箭和迫擊炮系統功能，特別是在手持、車載和機載等在內的便攜式應用。雷聲公司將以GaN技術為基礎，探索新的模塊設計和制造方法，研制能夠集成到NGR系統的模塊化組成單元，滿足NGR的開發架構要求，提供信號處理的靈活性、敏捷性和高效率。

2012年1月，DARPA開發了高集成度二維光學相控陣芯片，將4 096個納米天線集成到一個硅基底上，尺寸僅有576 μm×576 μm，相當于針尖大小，應用了可擴展大規模納米天線技術、新型微加工技術以及光電單片集成技術等關鍵技術，能夠形成高分辨率光束，實現新型傳感與成像能力。2015年，美國南加州大學實現二維光學相控陣發射模塊與控制電路的單片集成，8×8陣列中每個單元可單獨調相，實現了300多個獨立的光子集成器件與74 000個電子器件單片集成，為實現更高集成度的片上激光相控陣雷達奠定了基礎。其二維光學相控陣列芯片是在異質、異構等光電集成關鍵技術得到逐步突破的基礎上實現的，具有多功能、低成本、小型化、高穩定、低功耗等特征。能夠有效降低裝備的負載和功耗，提高裝備穩定性，加快作戰反應速度。

隨著戰場目標越來越多樣、任務越來越多元、環境越來越復雜、頻譜越來越擁擠，需要雷達在發射接收兩端能夠實現自適應，達到與外部環境和目標狀態相匹配，獲取最佳性能。認知雷達能夠通過對歷史和當前環境的感知、分析、學習、推理和規劃，形成發射-接收-處理自適應閉環，提高雷達工作效能[8]。自2006年認知雷達概念提出以來，對認識雷達波形設計、信號處理、資源調度和應用場景開展了廣泛研究，但尚未見實裝出現，微系統的發展將給認知雷達的實現提供有力支撐。

2.2 通信應用

2016年6月，日本電報和電話公司、富士通和日本國家信息與通信技術研究所合作研發出首個300 GHz太赫茲無線通信用緊湊型收發器，經測試，通過使用正交極化的多路傳輸可達到40 Gbit/s的數據傳輸速率。該收發器使用磷化銦基高電子遷移率晶體管作為超高速核心器件，并將其集成到高頻收發機單片集成電路中，該收發機將一個集成電路連接到帶有天線的金屬封裝上，總體積小于1 cm3。

2016年5月，德國“先進E波段衛星鏈路(AC-CESS)”項目在71GHz～76GHz頻段(E頻帶)以6 Gbit/s的傳輸速率實現了37 km傳輸，將現有最先進陸地無線傳輸能力提升了10倍以上，刷新了數據傳輸記錄。新研制的發射機和接收機使用了由IAF研制的GaN和InGaAs微波毫米波單片集成器件。

2.3 電子戰應用

為了應對復雜多變的未來戰場電磁環境，美國海軍啟動了“下一代干擾機(NGJ)”研發計劃，以替代EA-6B“徘徊者”和EA-18G“咆哮者”電子戰飛機上的ALQ-99戰術干擾吊艙，形成下一代機載攻擊能力。下一代干擾機將采用GaN組件有源電掃陣列天線，大幅度提高發射功率和干擾效果，并可與EA-18G電子戰飛機現有機載電子設備實現無縫集成，提高美海軍的全頻譜干擾能力。該有源電掃陣列天線除具有電子戰功能外，還具有雷達、通信和信號情報偵查功能。

隨著雷達技術的發展，正從固定波形的模擬系統轉變為未知波形的可編程數字系統，對電子戰系統發現和對抗雷達威脅提出了挑戰。DARPA于2012年發布了“自適應雷達對抗(ARC)”項目，希望引入人工智能和機器學習等技術，基于可觀察到的威脅行為，實時分析和學習敵方雷達的行動，自動產生對抗策略，使美國機載電子戰系統能夠在戰場上實時、自動、有效應對行為未知和帶有自適應能力的新型數字可編程雷達系統。

2.4 其他應用

微系統還在不依賴GPS的導航、芯片衛星、基于MEMS的微型推進器、納米激光器、微型機器人等領域得到應用或探索可能的應用途徑。

3 微系統技術發展趨勢

縱觀以美國為代表的軍事強國對微系統的發展需求，結合技術發展規律，軍用微系統將向小型微型化、多功能集成化、靈活智能化等方向發展[9]。一方面重視多種功能的異質、異構集成，在此基礎上實現小型化和微型化；另一方面通過將多個電子元器件進行系統化整合，打造微型作戰平臺。采用模塊化、開放式發展模式，實現先進技術的更快融入和集成，降低系統研發調試的難度和成本。加入自主學習和自主決策能力，提高自適應能力，擴大微系統的作用范圍。在14 nm基礎上繼續下探持續縮小特征尺寸、從三維封裝集成到三維單片集成、推進量子和神經形態新計算范式、用數字方式實現模擬功能將是微系統發展的主要內容。

4 結束語

微系統技術對未來戰爭形態和軍事裝備發展具有重大影響，對微電子、光電子、MEMS技術以及綜合集成技術具有強勁的牽引作用。要站在武器裝備創新發展和自主可控的高度，充分認識微系統技術對發展新一代信息化武器裝備、推進裝備智能發展、轉變傳統裝備制造模式、促進裝備體系新格局發展的重要作用，成體系地布局規劃軍用微系統關鍵技術攻關和產品研制，解決微系統設計仿真、算法架構、制造集成、測試驗證等關鍵技術問題，堅持軍民融合發展理念開展技術合作和資源共享，塑造良好的協同創新機制和發展環境，形成具有國際先進水平的軍用微系統科研和制造能力體系。

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湯曉英 女，1965年生，工程師。研究方向為標準化工程。

Development and Application of Microsystem Technology

TANG Xiaoying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

As a significant supporting means for independent & controllable military equipment development and information weapon system miniaturization, integration and intelligence, microsystem technology plays a strategic role in military competence, and is given great focus by strong nations, which is also highlighted by DARPA which set up specified office to enhance technology research and application development so as to push microwave system development and application in weapon equipment. The paper introduces foreign microsystem development status in research programs, component technology, integration technology, algorithm & architecture, TMT, depicts microsystem application in radar, communication, EW, analyzes development trend and significant research areas, and finally presents recommendations for microsystem development of our nation.

microsystem; micro-electronics; optical electronics; MEMS; integration

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.009

湯曉英 Email：2371709964@qq.com

2016-09-20

2016-11-22

TN957

A

1004-7859(2016)12-0045-06