微机电系统和微结构及其在航天中的应用PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 概述 1

1.2 背景和意义 2

1.3 航天用的MEMS器件 3

1.3.1 数字微型推进项目STS-93 3

1.3.2 皮卫星任务 4

1.3.3 天蝎座亚轨道示范 4

1.3.4 基于MEMS的微型卫星侦察器系列 4

1.3.5 导弹和军火－惯性测量单元 4

1.3.6 蛋白石、蓝宝石和绿宝石 5

1.3.7 国际案例 5

1.4 微机电系统和微结构在航天中的应用 5

1.4.1 对MEMS的理解和MEMS的展望 5

1.4.2 航天系统和仪器中的MEMS 6

1.4.3 卫星分系统中MEMS 7

1.4.4 MEMS技术航天领域应用的插入点 8

1.5 小结 9

参考文献 9

第2章 MEMS技术在航天任务中的应用前景 11

2.1 引言 11

2.2 适用于航天任务的MEMS技术的近期研制状况 12

2.2.1 NMP ST5热控百叶窗 13

2.2.2 JWST微型快门阵列 14

2.2.3 尺蠖微型制动器 15

2.2.4 NMP ST6惯性恒星相机 15

2.2.5 微型推进器 16

2.2.6 航天MEMS器件研制的其他实例 17

2.3 MEMS技术在航天中的潜在应用 18

2.3.1 基于MEMS技术的飞行器元器件清单 18

2.3.2 低成本微型卫星 19

2.3.3 科学仪器和传感器 19

2.3.4 探索应用 20

2.3.5 太空粒子和变异体 20

2.4 挑战和未来的需求 21

2.4.1 挑战 21

2.4.2 未来的需求 21

2.5 小结 23

参考文献 24

第3章 MEMS加工 26

3.1 引言 26

3.2 MEMS加工技术 27

3.3 LIGA 28

3.4 体硅微加工工艺 29

3.4.1 湿法刻蚀 29

3.4.2 等离子刻蚀 31

3.5 牺牲层表面微加工工艺 33

3.5.1 圣地亚超平多层MEMS技术 36

3.6 集成电路和MEMS技术集成 40

3.7 其他MEMS材料 42

3.7.1 碳化硅 42

3.7.2 硅－锗合金 42

3.7.3 金刚石 43

3.7.4 SU-8 43

3.8 小结 43

参考文献 44

第4章 空间环境因素对微纳米技术的影响 47

4.1 引言 47

4.2 机械、化学和电效应 48

4.2.1 热机械效应 48

4.2.2 冲击、加速度以及振动的机械效应 49

4.2.3 化学效应 50

4.2.4 电效应 51

4.3 针对任务运行环境进行设计 52

4.4 空间特殊任务的环境影响 53

4.5 小结 56

4.6 所参考的军用规范和标准 57

参考文献 57

第5章 空间辐射影响和微机电系统 59

5.1 引言 59

5.1.1 空间辐射环境 59

5.1.2 地球轨道 61

5.1.3 星际空间 63

5.2 辐射效应 64

5.2.1 空间辐射与材料和设备的交互影响（电离） 65

5.2.2 空间辐射与材料和设备的交互影响（位移损伤） 67

5.2.3 MEMS的辐射测试 67

5.3 MEMS中辐射影响的实例 68

5.3.1 加速度计 68

5.3.2 具有梳齿驱动器和齿轮的微马达 70

5.3.3 RF继电器 72

5.3.4 数字反射镜装置 73

5.4 MEMS中辐射影响的缓解 74

5.5 小结 75

参考文献 75

第6章 微纳米技术在空间系统的应用 77

6.1 空间技术发展简介 77

6.2 高技术成熟度的成功范例 78

6.2.1 用于赫歇尔天文台和普朗克探测器的“蛛网”辐射热测量仪 78

6.2.2 MEMS太阳敏感器 79

6.2.3 MEMS谐振陀螺仪 79

6.2.4 詹姆斯·韦伯太空望远镜应用的MEMS微型快门阵列 80

6.2.5 基于碳纳米管的热界面 80

6.2.6 射频MEMS开关 81

6.2.7 微化学传感器 82

6.2.8 MEMS可变发射率控制器件 82

6.2.9 SAPPHIRE卫星上的隧道红外传感器 83

6.2.1 0 自由分子流微电热推力器 84

6.3 技术发展途径 84

6.3.1 技术成熟团队方法 84

6.3.2 低成本、高速度的空间飞行 85

6.4 小结 86

参考文献 86

第7章 微加工技术在科学仪器方面的应用 89

7.1 引言 89

7.2 太空科学中的电磁场和粒子探测 89

7.2.1 等离子光谱仪 90

7.2.2 磁强计与电场探测器 92

7.3 望远镜和光谱仪 93

7.3.1 韦伯太空望远镜近红外光谱仪 93

7.3.2 自适应光学系统的应用 94

7.3.3 光谱仪的应用 96

7.3.4 微加工的测辐射热计 97

7.4 MEMS传感器的原位分析 98

7.4.1 微加工的质谱仪 98

7.4.2 磁共振力显微镜 99

7.5 小结 99

参考文献 99

第8章 微机电系统在航天器通信中的应用 103

8.1 引言 103

8.2 航天器通信系统中的MEMS射频开关 103

8.2.1 MEMS开关设计和制造 104

8.2.2 RF-MEMS开关的性能和可靠性 107

8.3 RF-MEMS移相器 108

8.3.1 开关线移相器 109

8.3.2 负载线移相器 109

8.3.3 反射式移相器 110

8.4 其他RF-MEMS器件 110

8.5 用于天线设计的RF-MEMS 111

8.5.1 电控天线 111

8.5.2 分形天线 111

8.6 用于自由空间光通信的MEMS微镜 112

8.6.1 工艺要点 112

8.6.2 性能要求 113

8.6.3 光束控制性能测试 115

8.7 MEMS在航天器光通信中的应用 116

8.7.1 光束控制 116

8.7.2 最新进展 118

8.8 小结 120

参考文献 121

第9章 航天器热控制中的微系统 126

9.1 引言 126

9.2 热传递的原理 126

9.2.1 热传导 127

9.2.2 对流 127

9.2.3 辐射 128

9.3 航天器热控制 128

9.3.1 航天器热控制硬件 129

9.3.2 空间中的热传递 129

9.4 MEMS热控制器件应用 130

9.4.1 温度传感器 131

9.4.2 MEMS百叶窗和快门 131

9.4.3 MEMS热控开关 133

9.4.4 微型热管 134

9.4.5 MEMS泵浦液体冷却系统 135

9.4.6 MEMS斯特林制冷机 136

9.4.7 MEMS热控制的问题 137

9.5 小结 137

参考文献 137

第10章 航天器制导、导航和控制中的微系统 139

10.1 引言 139

10.2 微小卫星中的小型模块化GN＆C子系统 140

10.2.1 JPL微导航器 141

10.2.2 GSFC微小卫星姿态和导航电子系统 141

10.2.3 NMP ST6惯性恒星相机 142

10.3 MEMS姿态测量传感器 144

10.3.1 MEMS磁强计 144

10.3.2 MEMS太阳敏感器 145

10.3.3 地球传感器 145

10.3.4 星敏感器 145

10.4 惯性测量传感器 146

10.4.1 MEMS陀螺仪 147

10.4.2 一个MEMS陀螺应用实例：NASA/JSC AERCam系统 149

10.4.3 MEMS加速度计 150

10.5 MEMS姿态控制装置 150

10.6 MEMS技术的高级GN＆C应用 151

10.6.1 用于惯性测量的MEMS原子干涉仪 151

10.6.2 小型GN＆C传感器和执行器 151

10.6.3 用于机器人系统控制的MEMS敏感皮肤 152

10.6.4 模块化MEMS独立安全保障传感器单元 152

10.6.5 精密望远镜定向 152

10.7 小结 153

参考文献 154

第11章 微推进技术 157

11.1 引言 157

11.2 电推进器 160

11.2.1 脉冲等离子推进器 160

11.2.2 真空电弧推进器 162

11.2.3 场发射或场效应电推进器 164

11.2.4 激光烧蚀推进器 166

11.2.5 微型离子推进器 168

11.2.6 微型电阻引擎 170

11.2.7 液体汽化微推进器 172

11.3 化学推进器 174

11.3.1 冷气推进器 174

11.3.2 数字推进器 175

11.3.3 单组元推进器 177

11.4 放射性同位素推进器 178

11.4.1 工作原理 178

11.4.2 系统构成 178

11.5 小结 179

参考文献 179

第12章 空间应用的MEMS封装技术 182

12.1 MEMS封装功能简介 182

12.1.1 机械支撑 182

12.1.2 环境隔离 182

12.1.3 与其他系统组件间的电气连接 183

12.2 MEMS封装的类型 183

12.2.1 金属封装 184

12.2.2 陶瓷封装 184

12.2.3 薄膜多层封装 185

12.2.4 塑料封装 185

12.3 MEMS封装的固连 185

12.4 热管理问题 186

12.5 多芯片封装 187

12.5.1 MCM/HDI 187

12.5.2 倒装片 188

12.5.3 片上系统 189

12.6 MEMS的空间应用实例 189

12.6.1 空间技术5星的变发射率涂层器件 189

12.6.2 USAFA猎鹰SAT-3的平面等离子分光计 190

12.6.3 詹姆斯·韦伯空间望远镜的微镜阵列 191

12.7 小结 191

参考文献 192

第13章 关键性空间应用的处理与污染控制的考虑 194

13.1 引言 194

13.2 硅片的处理 194

13.3 管芯划片、释放和封装过程的处理 195

13.3.1 管芯划片 195

13.3.2 释放时的处理 195

13.3.3 封装 196

13.4 进程中处理和储存要求 197

13.5 静电放电控制 197

13.6 污染控制 198

13.6.1 污染控制程序 198

13.6.2 MEMS污染控制 199

13.6.3 加工的污染控制 200

13.6.4 MEMS封装时的污染控制 200

13.6.5 MEMS封装后的污染控制 202

13.6.6 空间技术5项目中的污染控制 203

13.7 小结 205

参考文献 206

第14章 MEMS应用的材料选择 207

14.1 引言 207

14.2 微尺度定律 207

14.3 材料选择 208

14.4 材料失效 208

14.4.1 黏附 208

14.4.2 分层 209

14.4.3 疲劳 209

14.4.4 磨损 209

14.5 环境因素 209

14.5.1 振动 210

14.5.2 冲击 210

14.5.3 温度 210

14.5.4 原子氧 211

14.5.5 辐射 211

14.5.6 微粒 212

14.5.7 真空 212

14.5.8 湿度 213

14.6 材料 213

14.6.1 单晶硅 213

14.6.2 多晶硅 213

14.6.3 氮化硅 214

14.6.4 氧化硅 214

14.6.5 金属 214

14.6.6 多晶金刚石 214

14.6.7 碳化硅 215

14.6.8 聚合物与环氧 215

14.6.9 SU-8 215

14.6.1 0 CPl？ 216

14.7 小结 216

参考文献 217

第15章 基于空间的MEMS设计和应用的可靠性测试 220

15.1 MEMS可靠性概述 220

15.2 统计得到的品质一致性与可靠性规范 220

15.3 物理失效方式 221

15.4 MEMS失效机制 222

15.4.1 材料的不相容性 222

15.4.2 黏附 223

15.4.3 蠕变 223

15.4.4 疲劳 224

15.5 环境因素与器件可靠性 224

15.5.1 环境导致的应力复合 225

15.5.2 热效应 228

15.5.3 冲击与振动 229

15.5.4 湿度 229

15.5.5 辐射 229

15.5.6 电应力 230

15.6 小结 230

参考文献 231

第16章 航天微机电系统与微结构的保障方法 233

16.1 引言 233

16.1.1 商用环境VS空间环境 233

16.1.2 测试方案的定制 234

16.2 基于空间环境的设计实践 234

16.2.1 寿命周期环境总则 235

16.2.2 降额与冗余 235

16.3 筛选、质检和流程控制 236

16.3.1 基于制造的设计 236

16.3.2 装配和封装鉴定／筛选要求 236

16.3.3 封装和操作 239

16.4 评审 240

16.5 环境测试 242

16.6 最终集成 246

16.7 小结 246

参考文献 247