微机械技术在航天传感器技术中的应用研究

吕雪燕 ，刘国庆，陈荣明

空军航空大学航空机械工程系，吉林 长春 130022

0 引言

微机械技术是与微电子技术密切结合的一种新技术，它凭借着智能化、系列化、微型化、分辨力高等一系列的优越性能，迅速在世界得到发展。它成功地开发出了一批微传感器，并在航空航天系统应用中崭露头角，使传统的传感器相形见拙。可见，采用微机械技术制造的各种微传感器必将成为21世纪航天传感器的主流，对航天传感器的发展也有巨大的推动作用。

1 微机械技术对航天传感器的作用

微机械技术从开发的传感器看，已由力学量发展到电、光、热、辐射和生物等诸多传感器领域，发展成由表面加工到与体加工相结合的一种三维加工技术，应用前景相当广泛。近年来，我国学术界多次召开了微机械技术研究会议，从一开始也有专家预言，微机械技术会如微电子技术一样发生很大变革，会像微电子一样给社会带来深刻的影响。而当今微机械技术也确实成为了美国、瑞士以及德国等国家当前急需发展的新技术，他们各国先后均花巨资来建立微机械技术研究中心。由此可见，微机械技术的应用前景不可估量。

当前，微机械技术是研制航天传感器，发展先进的导弹、小卫星多目标测控的航天传感器技术的关键。其实，航天工程早在微机械技术发展前期，就应用该技术在短时间内实现了航天传感器的产业化，而微机械技术也凭借它一系列优越的性能占领航天传感器市场。目前，应用微机械技术的产品非常之多，比如：英国采用的航天电容式液位传感器以及法国5号火箭采用的溅射薄膜压力传感器等。另外，微机械技术还与计算机软件技术把传感器推向一个更高的层次， 而这正是未来航天型号安控检测和故障检测系统所需要的。

2 微机械技术在航天传感器技术中的应用研究

2.1 发展航天传感器技术的核心技术

发展航天传感器的核心技术就是微机械技术。目前，由于我国航天各型号测控系统的需求，航天系统成功地研制了航天需要的力学量、热学量、运动量等10多种测量参数以及400多个不同规格的传感器变换器系列， 极好的满足了航天各型号测控系统的需求，促进了航天型号的发展。而航天型号的发展也对传感器提出了更高的需求。根据我国航天系统传感器专家研讨，微机械技术拥有一系列优越性能，只有采用微机械技术才能较好的满足航天新型号的新需求。主要体现在以下几个方面：

1）微传感器微型化且智能化

航天武器型号的小型化和机动性要求传感器更加小型化，而采用传统技术制成的传感器，每件的平均重量最低不会少于50g～100g，并且如果进一步对其进行小型化，就会使传感器的的性能下降。特别是现在小卫星、战术导弹和子弹头测控系统更是要求微型化的传感器。

另外，航天传感器的发展方向是实现传感器的智能化和集成化，这对于航天型号的发展和实现型号的安全检测和故障诊断都是十分重要的，并在此基础上开发传感器微系统。这些目标，主要依靠微机械技术才能实现。近几年，航天传感器界也正在热心研究并应用微机械技术。

2）微传感器优质且廉价

微机械技术不仅性能优越，采用微机械加工的传感器更是批量化多元件生产，自然制成的微传感器性能优质且价格低。其性能价格远比传统的单件生产的传感器要高，国外已出现了优质廉价的军用航天传感器，其市场占有率也正在不断扩大。

3）微传感器的可靠性

传统传感器的敏感元件等重要件加工主要是依靠手工操作，而手工操作会存在一定的限制性，使得传感器的可靠性难以提高。而微机械加工是在超净环境中自动化批量生产，能提高航天传感器的可靠性和一致性。所以，只有依靠微机械技术才能实现航天传感器的高度可靠性。

2.2 航天传感器技术中的微机械技术

为了发展航天传感器技术，需要研究的微机械技术主要有微传感器的CAD技术。结合航天传感器的使用要求开展的微传感器结构版图设计，通常要在数据库支持下进行仿真和设计，并借助CAD来完成。

2.2.1 微传感器后工序工艺技术

其主要技术包括穿线与密封技术、微结构的真空密封技术等。其中穿线与密封技术是微传感器的关键技术，它能提高传感器的性能、成品率，且能降低成本。穿线与密封技术主要是采用横向和纵向两种穿线方法。横向穿线就是先用掺杂多晶硅做出外引线，并在1100℃下高温处理，使磷硅玻璃流动填平表面，随后再淀积钝化层和多晶硅，开出引线孔，这样就可进行静电封接，横向穿线主要是是填平由于横向引线造成的表面不平整。而纵向穿线就是在封接前，用电火花先在玻璃上打通孔，随后封接，然后蒸镀并光刻出欧姆接触电极，最后再用导电胶连接外引线，使之完成密封和引线双重任务。

同时，微结构的真空密封工作也很重要，其在真空中进行静电封接容易出现真空放电，故使得真空密封难度较大，封接后也难以达到高真空。

2.2.2 基本加工工艺技术

其主要技术包括深腐蚀加工工艺技术、表面加工工艺技术以及体加工工艺技术。传感器要制造出深度为十微米以上的垂直壁，就必须对硅作深腐蚀，可用常规的腐蚀方法其侧向腐蚀较严重，所以很难实现硅的深腐蚀。近期来，不仅出现了采用平行度很高的紫外线代替X射线对光敏聚酰亚胺技术，还出现了采用等离子刻蚀垂直深槽的技术，主要工艺就是先制造电镀模具，然后再电镀成型所需的金属结构。

同时，表面加工工艺技术主要是采用硅片作衬底，利用多晶硅层等来制造传感器的微机械结构。近几年，表面加工技术取得了长足的进步。它可以将传感器与集成电路做到一个基片上，而且做好后不仅体积小，成本也低。而体加工工艺要比表面加工工艺复杂得多，但它的机械性能非常好，所以，现在国外许多加速度传感器仍是采用此工艺技术来制作的。

3 结论

航天传感器新型号对技术与产品的需求，只有依靠微机械技术才能实现。微机械技术是20世纪末迅速发展的新技术，也必将成为21世纪发展的高技术。采用微机械技术制造的微传感器，也必将占领21世纪传感器市场的主导地位。可以预言，在未来，微机械技术对于科技技术现代化，尤其是航天工程技术的发展必定起到重要作用，航天传感器技术也定会随着微机械技术的发展而有所突破的。

[1]陈津.传感器技术应用综述及发展趋势探讨[J].科技创新导报，2008(10).

[2]鲍敏杭.微机械加工技术发展概况(一)[J].仪表技术与传感器，1998(5).

[3]路明，赵则祥，等.我国微机械技术发展概述[J]中原工学院学报，2010(6).