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