微光機電系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

微光機電系統(tǒng)(MOEMS)是近幾年在微機電系統(tǒng)(MEMS)中發(fā)展起來的一支極具活力的新技術(shù)系統(tǒng)，它是由微光學、微電子和微機械相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的微光學結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。MOEMS是一種可控的微光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的微光學元件在微電子和微機械裝置的作用下能夠?qū)馐M行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實現(xiàn)光開關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。該系統(tǒng)把微光學元件、微電子和微機械裝置有機地集成在一起，能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能，不僅能夠使光學系統(tǒng)微型化而降低成本，而且可實現(xiàn)光學元件間的自對準，更重要的是這種組合還會產(chǎn)生新的光學器件和裝置。MOEMS的出現(xiàn)將極大地促進信息通信、航天技術(shù)以及光學工具的發(fā)展，對整個信息化時代將生產(chǎn)深遠的影響。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、微光機電系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用研究

MOEMS在光通信、數(shù)字圖像獲取、顯示與處理、IT外圍設(shè)備、環(huán)境保護、自動化生物醫(yī)療裝備、工業(yè)維護等方面有著很好的應(yīng)用前景，國外在上述領(lǐng)域開展了一系列MOEMS技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)。

1.光通信

開關(guān)元件是光網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其性能的好壞是決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵?；贛EMS的光開關(guān)，由于其與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振和傳輸方向等均無關(guān)，而且在損耗和擴展性上都要優(yōu)于其它類型，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴展性等趨勢相符合，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多數(shù)創(chuàng)新和進步都體現(xiàn)在光通信領(lǐng)域，光通信已經(jīng)成為MOEMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

近年來正大力發(fā)展一種集成化的MEMS光開關(guān)，即在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。AT&T實驗室采用MOEMS技術(shù)研制了8×8光開關(guān)陣列。此微機械光開關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個輸入端口對應(yīng)一個準直微透鏡，每個輸出端口對應(yīng)一個聚焦微透鏡，光開關(guān)的主要組成部分是一個8行8列的微反射鏡矩陣以及每個微反射鏡所對應(yīng)的控制系統(tǒng)，鏡面通過銷軸聯(lián)接。通過抓爬驅(qū)動器使微鏡轉(zhuǎn)動90度，使來自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開關(guān)的開關(guān)速度為亞毫秒級。這種光開關(guān)的介入損耗較大，最大可達19.9分貝(見圖1)。目前MEMS光開關(guān)還處于研究階段，沒有形成產(chǎn)業(yè)化。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬的擴大，MEMS光開關(guān)會越來越受到人們的重視，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

除了MEMS光開關(guān)外，目前在光網(wǎng)絡(luò)中用得比較多的MOEMS器件還有光纖開關(guān)、光交叉連接設(shè)備、波分復用/解復用器、可調(diào)諧濾波器、色散補償器、光耦合器等。

2.數(shù)字圖像處理

在圖像處理的相關(guān)產(chǎn)品方面，MOEMS技術(shù)大多應(yīng)用于信息的顯示、打印和處理。其中最為成熟的是數(shù)字微鏡裝置(DMD)。圖2所示為美國TI公司研制的DMD光開關(guān)原理圖。它通過可以旋轉(zhuǎn)10度的扭轉(zhuǎn)鏡來完成投影顯示。每個微鏡下都有驅(qū)動電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜，輸入光被反射至鏡頭，投影到屏幕上，未加電壓的微鏡處的光線反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點產(chǎn)生明暗，投影出圖像。目前，已研制出的DMD的像素達2048×1152。DMD可應(yīng)用于投影儀和電視等裝置上。

二、微光機電系統(tǒng)在軍事及空間領(lǐng)域的應(yīng)用研究

雖然MOEMS技術(shù)的研究與實際應(yīng)用還有一段距離，但是由于利用該項技術(shù)可以實現(xiàn)武器系統(tǒng)的小型化、低功耗和低成本，所以受到了軍事部門的重視。

1.美國國防高級研究計劃局(DARPA)開展的研究情況

DARPA對于MOEMS的研究給予高度重視，圍繞MOEMS技術(shù)及其應(yīng)用開展了一系列研究計劃，例如光束靈活控制(STAB)系統(tǒng)、光學微型網(wǎng)絡(luò)、超大規(guī)模集成光學、處理光波長和空間信號計劃、高清晰度系統(tǒng)計劃、基于士兵系統(tǒng)的MOEMS技術(shù)的發(fā)展計劃等，這里僅介紹其中的幾個計劃。

■光束靈活控制(STAB)系統(tǒng)STAB計劃是要開發(fā)出芯片一級的光束操縱元件，目的是發(fā)展小型、輕型激光波束控制技術(shù)，來代替光學通信和紅外對抗系統(tǒng)中的大型、機械控制的鏡頭系統(tǒng)。該計劃可用來解決激光通信系統(tǒng)中激光光束的方向角窄，影響激光通信系統(tǒng)的實用化的問題。計劃的總目標是實現(xiàn)將光束靈活控制系統(tǒng)的尺寸縮小30倍，重量減輕60倍。

■光學微型網(wǎng)絡(luò)該計劃主要進行經(jīng)濟可承受的高速光學數(shù)據(jù)網(wǎng)演示，實際應(yīng)用于飛機和軍艦。已經(jīng)演示了把垂直腔激光綜合到驅(qū)動電子裝置頂上，并與必要的微型光學結(jié)合到一起，形成光學連接。然后，放大到16×16靈巧單元陣列光學通信塊，進行芯片與芯片之間通信演示。在實戰(zhàn)飛行試驗方面，通過利用AV-8B飛機的實彈演習，進行10兆比/秒光學網(wǎng)絡(luò)的飛行試驗。

■超大規(guī)模集成光學計劃的目的是利用光鏈路代替電子鏈路，用于芯片與芯片之間、板與板之間的通信，使線路板之間的數(shù)據(jù)傳輸率達到每秒太比特，有利于合成孔徑雷達、自動目標識別等高速數(shù)據(jù)處理，可以使這些系統(tǒng)的體積功率減少100～1000倍。按照計劃，其靈巧像元陣列將放大到100×100，并演示合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)處理。

DARPA研究認為MOEMS在國防方面的應(yīng)用包括以下7個方面：武器制導和個人導航芯片上的慣性導航組合;軍備跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、安全勘測的無人值守分布式傳感器系統(tǒng);小型分析儀器、液壓與氣動系統(tǒng)、推進和燃燒控制的集成流量系統(tǒng);替換當前彈頭系統(tǒng)與改進安全性和可靠性的武器安全恢復，保險和引信;移動車輛和運載器上有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和執(zhí)行器，在輕武器系統(tǒng)/平臺和抵抗災(zāi)害建筑中按需增強結(jié)構(gòu)強度;用于每平方厘米千兆字節(jié)存儲密度的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和系統(tǒng);用于鑒別敵友系統(tǒng)、顯示器和光纖開關(guān)/調(diào)節(jié)器中的集成微光學機械器件;用于飛機、自適應(yīng)光學和精密部件與材料處理的主動、共形表面。

2.微光機電系統(tǒng)在空間的應(yīng)用

光通信和光遙感是MOEMS在空間的主要應(yīng)用。

微/納衛(wèi)星組網(wǎng)時衛(wèi)星之間的通信若通過地面站，則噪聲干擾和低功率等原因?qū)⒂绊憘鬏斮|(zhì)量。解決的辦法是采用光通信，它傳輸容量大(理論值可達7.5吉比/秒)，傳輸速率高、帶寬寬，且不占用無線電波段。衛(wèi)星使用光掃描器，因其體積小、轉(zhuǎn)角大、散射小和頻率高，可以用來完成衛(wèi)星網(wǎng)間的捕捉、瞄準和跟蹤。美國航宇局已把空間光通信列入“新盛世”計劃和“深空系統(tǒng)技術(shù)”計劃。隨著MOEMS產(chǎn)品的成熟，有可能將微光學元件、微調(diào)整器、光源、探測器和處理電路等集成在同一芯片上，組成各種專用自由空間光學平臺，從而實現(xiàn)光學平臺的微型化。目前，美國航宇局噴氣推進實驗室已將多個MOEMS和處理電路組裝成多芯片光通信模塊。國外研究出的一種用于低功耗光學調(diào)制和波束控制的模塊，尺寸為10厘米×10厘米×2厘米，質(zhì)量僅0.4千克，功耗小于5瓦。

隨著衛(wèi)星微小型化，用于確定姿態(tài)、自主導航、科學成像和成像光譜技術(shù)的各種光學儀器，其孔徑和光學系統(tǒng)的可利用空間迅速減小。為此，一方面可以在光學系統(tǒng)中通過采用MEMS技術(shù)制造的微透鏡陣列、微衍射元件、微光掃描器和光纖感光板等來減小尺寸;另一方面可以把微光學元件、微機械構(gòu)件、探測器和處理電路集成積木式模塊，進一步減小體積。噴氣推進實驗室完成的用于光學導航和成像科學的基本光學積木式模塊，尺寸為10厘米×10厘米×16厘米，質(zhì)量僅0.17千克，功耗小于0.3瓦。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室與OCA應(yīng)用光學公司合作研制的寬視場星跟蹤器，有很寬的視場(28度×43度)，可在50毫秒內(nèi)求出亮星的中心點，能以20微弧度(3σ值)的高精度跟蹤目標。該星跟蹤器包括微電子線路在內(nèi)，質(zhì)量僅為175克，功耗3瓦。

三、微光機電系統(tǒng)的

應(yīng)用前景與展望

MOEMS以其對光束在時間和空間上的精確控制能力以及體積小、可批生產(chǎn)、功耗低和價格合理等優(yōu)勢，將廣泛應(yīng)用于光通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示、軍用光電偵察裝備、光互連計算、自主式航天交會、激光測距、激光雷達、制導、預警監(jiān)視系統(tǒng)以及使得使用大型光學孔徑的航天器實現(xiàn)小型化等方面。

歐洲非贏利性組織——多功能微系統(tǒng)卓越網(wǎng)絡(luò)(NEXUS)對2000～2005年世界MEMS市場的預測報告指出，在2000～2005年期間世界MEMS市場將以每年遞增20%的速度增長，到2005年將達到680億美元的市場份額。其中一個較大的市場需求是來自應(yīng)用于通信領(lǐng)域的MOEMS和射頻MEMS(RF-MEMS)。到2005年，MOEMS和RF-MEMS在環(huán)境、工業(yè)自動化、航空電子設(shè)備和軍事等方面的通信應(yīng)用市場份額將達到3億美元。

雖然MOEMS技術(shù)發(fā)展的歷史并不長，但這是一項學科交叉性和綜合性都很強且極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。開展這個領(lǐng)域的科學技術(shù)研究，既可以帶動一些重要的基礎(chǔ)課題研究，又可以帶動大量概念全新的功能部件開發(fā)，因此目前已經(jīng)成為世界各國都看好的研究熱點之一。