軍事領(lǐng)域是MEMS技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，對(duì)推動(dòng)MEMS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展起到了重大作用。當(dāng)前，世界各國(guó)都非常重視MEMS技術(shù)在軍用設(shè)備中應(yīng)用的研究。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)把MEMS技術(shù)確認(rèn)為美國(guó)急需發(fā)展的新興技術(shù)，并資助了大量MEMS項(xiàng)目，大力發(fā)展小型慣性測(cè)量裝置、微全分析系統(tǒng)、RF傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器、無(wú)人值守傳感器等項(xiàng)目，應(yīng)用于單兵攜帶、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、毒氣以及細(xì)菌檢測(cè)、武器安全、保險(xiǎn)和引信、彈道修正、子母彈開(kāi)倉(cāng)控制、超低功率無(wú)線通訊信號(hào)處理、高密度低功耗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、敵我識(shí)別系統(tǒng)等方面。MEMS在軍用設(shè)備中的應(yīng)用日漸廣泛和深入。
1 MEMS技術(shù)對(duì)武器平臺(tái)的優(yōu)化在海上武器應(yīng)用方面，MEMS引信／保險(xiǎn)和引爆裝置已成功地用于潛艇魚(yú)雷對(duì)抗武器上。引信／保險(xiǎn)和引爆裝置的工作包括三個(gè)獨(dú)立步驟：發(fā)射魚(yú)雷后解除炸藥保險(xiǎn)、引爆(引信)和防止在不正確時(shí)間爆炸(保險(xiǎn))。使用鍍有金屬層的硅結(jié)合巧妙的封裝技術(shù)，MEMS引爆裝置要比傳統(tǒng)裝置小一個(gè)數(shù)量級(jí)，可安裝在6．25英寸的魚(yú)雷上，這是其他技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在陸地應(yīng)用方面，包括靈活且堅(jiān)固的爆破裝置、發(fā)射裝置和其他使用MEMS慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的武器平臺(tái)。MEMS加速度計(jì)能承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的近10．5 g的沖擊力，可以為制導(dǎo)導(dǎo)彈提供一種經(jīng)濟(jì)的制導(dǎo)系統(tǒng)，同時(shí)使導(dǎo)彈的可靠性、性能及服務(wù)時(shí)間提高5倍一l0倍，啞彈的數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。MEMS慣性傳感器用于靈巧彈頭和鉆地彈頭中，其抗震能力足以使其能夠做到彈頭鉆入地下后，仍能對(duì)其進(jìn)行制導(dǎo)、控制并引爆。MEMS輪胎壓力傳感器已經(jīng)用在美國(guó)軍隊(duì)裝甲運(yùn)兵車的輪胎中。在空中應(yīng)用方面，采用MEMS傳感器和致動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的準(zhǔn)確控制，例如對(duì)噴氣引擎的紊流控制。長(zhǎng)期以來(lái)，紊流對(duì)航空航天一直是個(gè)問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)中的紊流降低了軸流速度，從而使推力減小，機(jī)翼上的紊流造成飛行拖滯。有了MEMS技術(shù)以后，使得在微觀尺度上對(duì)流體進(jìn)行控制成為可能。其原理就是在特征面上布置微傳感器陣列，探測(cè)流體壓力和溫度的細(xì)小變化，然后通過(guò)控制器讓微致動(dòng)器陣列準(zhǔn)確地對(duì)消這些細(xì)小變化。當(dāng)然同樣的方法也可以完全應(yīng)用在飛機(jī)或?qū)椕善ど?，形成“智能蒙皮”，從而提高飛行速度和穩(wěn)定性。MEMS技術(shù)還使智能可重構(gòu)外形的機(jī)翼和空間柔性結(jié)構(gòu)成為可能。2 RF—MEMS技術(shù)的軍事應(yīng)用射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF．MEMS)是指利用MEMS技術(shù)制作各種用于電子通訊的射頻器件或系統(tǒng)，其研究目的是把半導(dǎo)體有源器件、微加工元件和MEMS器件集成到一塊芯片上或微系統(tǒng)上，從而實(shí)現(xiàn)單芯片上的射頻系統(tǒng)，使產(chǎn)品集成化、微型化、智能化，成倍提高器件和系統(tǒng)的功能密度、信息密度跟互連密度，大幅度地節(jié)能降耗。現(xiàn)代軍事電子信息系統(tǒng)，正朝著綜合化、大容量、多功能、超寬帶的趨向發(fā)展。同一作戰(zhàn)平臺(tái)上往往需要搭載多個(gè)子系統(tǒng)，如通信系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、干擾系統(tǒng)，這使得擔(dān)負(fù)信息出入口功能的天線數(shù)量也大大增加，從而導(dǎo)致平臺(tái)裝載面減少、重量增加以及電磁兼容性等問(wèn)題。電控可重構(gòu)天線能夠在不改變天線機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)電控手段改變其關(guān)鍵參數(shù)，如工作頻率、方向圖、極化方式等，使一副天線實(shí)現(xiàn)多副天線的功能 j。美國(guó)軍方開(kāi)展的可變波束天線研究，僅用1 Xn的單元實(shí)現(xiàn)n X n的相控陣天線。隨著RF．MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的成熟，國(guó)內(nèi)外研制的可重構(gòu)天線也開(kāi)始更多地采用RF-MEMS開(kāi)關(guān)。相比其它開(kāi)關(guān)，RF．MEMS開(kāi)關(guān)具有低插人損耗、高隔離、線性、寬帶(0．1 GHz～120 GHz)、低功耗等特性 J，并且還能與單片微波集成電路(MMIC)集成。自1998年N．S．Barker研制了第一個(gè)RF—MEMS移相器以來(lái)，目前已有多種RF—MEMS移相器的報(bào)道。RF．MEMS移相器具有較低的插人損耗、寬帶寬、小體積的特點(diǎn)。用RF—MEMS移相器替代傳統(tǒng)的微波移相器，提高了相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備中的抗干擾能力和靈敏度，降低了這些設(shè)備的重量、體積和成本。因此，研究RF—MEMS移相器在軍事上具有重要的意義。基于MEMS技術(shù)的軍用微型機(jī)器人美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，早在2O世紀(jì)90年代，就開(kāi)發(fā)出一種直徑為400m的齒輪。其后，諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)利用MEMS技術(shù)制造出了各類微型馬達(dá)和微型齒輪，這些器件是微型機(jī)器人的基本單元，催生了微型機(jī)器人的誕生。微型機(jī)器人是基于MEMS技術(shù)，有擬人功能，代替人完成任務(wù)的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，尺寸一般很小，可自主、半自主或人工遙控工作。根據(jù)體積可分為厘米、毫米和微米尺寸機(jī)器人，有一定智能，可在微空問(wèn)進(jìn)行可控操作或采集信息，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是能執(zhí)行常人無(wú)法完成的任務(wù)，而且可批量、廉價(jià)制造。美國(guó)研制的一種可探測(cè)核生化戰(zhàn)劑的微型機(jī)器人，只有幾毫米大小。還有一種構(gòu)想中的“黃蜂”微型機(jī)器人，只有幾十毫克重，可攜帶某種極小彈頭，能噴射出腐蝕液或?qū)щ娨海魯撤窖b備的關(guān)鍵電子部件。美國(guó)五角大樓認(rèn)為軍用微型機(jī)器人的發(fā)展將有可能改變下一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)。“智能塵?！笔俏⑿蜋C(jī)器人的一種，它由微處理器、無(wú)線電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的軟件共同組成。將這類微塵散放在一定范圍內(nèi)，它們就能夠相互定位，收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。近幾年，由于硅片技術(shù)和生產(chǎn)工藝的突飛猛進(jìn)，集成有傳感器、計(jì)算電路、雙向無(wú)線通信模塊和供電模塊的微塵器件的體積已經(jīng)縮小到了沙粒般大小，但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。未來(lái)的智能塵埃甚至可以懸浮在空中幾個(gè)小時(shí)，向相關(guān)作戰(zhàn)人員提供實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)信息，包括通過(guò)有人和無(wú)人駕駛的地面車輛、無(wú)人駕駛飛機(jī)、空中、海上及衛(wèi)星中得到的高分辨率數(shù)字地圖、三維地形特征、多重頻譜圖形等信息。系統(tǒng)軟件將采用預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解讀傳感器的內(nèi)容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等前后相關(guān)信息，以及由其他傳感器輸入的信息相互關(guān)聯(lián)，從而為交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)提供諸如開(kāi)火、甲車的行動(dòng)以及爆炸等觸發(fā)傳感器的真實(shí)事件的實(shí)時(shí)信息。
微型飛行器(Micro Aerial Vehicle，MAV)的概念是由美國(guó)于20世紀(jì)90年代最先提出的，由于其具有特殊的用途而倍受關(guān)注。微型飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)中的微型地平儀、微型高度計(jì)，導(dǎo)航系統(tǒng)中的微型磁場(chǎng)傳感器和微型加速度計(jì)、微陀螺儀等，飛行控制系統(tǒng)中的微型空速計(jì)、微型舵機(jī)等，在微型飛行器上應(yīng)用的微型攝像機(jī)、微型通訊系統(tǒng)等，都需要MEMS技術(shù)的支持，以減少體積和重量，改善飛行器的性能。微型飛行器具有導(dǎo)航及通信能力，可用手?jǐn)S、炮射或飛機(jī)部署，具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能，被認(rèn)為是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要偵察和攻擊武器，具有價(jià)格低廉、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，微型飛行器的研究主要集中在美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家，正在研究的MAV主要有三種，一種是像飛機(jī)一樣的固定翼式，第二種是跟昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類一樣的撲翼式，第三種是跟直升機(jī)一樣的旋翼式。美國(guó)MLB公司研制出翼展為45 cm的微型飛行器Bat，該機(jī)飛行時(shí)問(wèn)20 min，飛行速度大約為64 km／h，飛行高度457 m；德國(guó)的IMM公司已經(jīng)研制出了一種直徑1．9ms、長(zhǎng)度5．5 ms、重量91 mg、最大轉(zhuǎn)速達(dá)l0萬(wàn)轉(zhuǎn)／分鐘的微型電機(jī)，同時(shí)利用這種微型電機(jī)制成了一架串列式雙旋翼的微型試驗(yàn)直升機(jī)；日本東京大學(xué)的毫米級(jí)微型飛行機(jī)器人能在交變磁場(chǎng)中扇動(dòng)翅膀；印度、澳大利亞等國(guó)家也都在研制不同用途的微型飛行器。現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，已經(jīng)能見(jiàn)到微型飛行器的身影。在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上，美軍已開(kāi)始使用一種名為“微星”的微型飛行器進(jìn)行情報(bào)收集，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵可以通過(guò)便攜式電腦操縱“微星”，可偵察前方5 km的情況。5 基于MEMS技術(shù)的軍用微納衛(wèi)星微納衛(wèi)星通常指質(zhì)量小于100 kg，具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星。它是基于微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)、微光電技術(shù)等技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，體現(xiàn)了航天器微小化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量，10 kg～100 kg的衛(wèi)星稱為微型衛(wèi)星(microsat)，1 kg一10kg的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星(nanosat)，0．1 kg～1 kg的稱為皮衛(wèi)星(picosat)，0．1 kg以下的稱為飛衛(wèi)星(femtosat)。微納型衛(wèi)星具有功能密度與技術(shù)性能高、投資與運(yùn)營(yíng)成本低、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)建設(shè)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，受到了航天、軍事、工業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，成為各國(guó)軍方都非常重視的航天技術(shù)發(fā)展方向之一。2002年2月7 H，由DARPA出資，Aerospace公司生產(chǎn)的兩顆繩系皮衛(wèi)星從近地球軌道上的“母”衛(wèi)星O．PAL(Orbiting Automated Picosat Launcher)上送入太空。此次試驗(yàn)，驗(yàn)證了MEMS技術(shù)在太空中的穩(wěn)定性及可靠性，對(duì)促進(jìn)MEMS技術(shù)在微納型衛(wèi)星上的應(yīng)用及發(fā)展起到重要作用。由于微納型衛(wèi)星具有低軌道、信號(hào)損耗小、機(jī)動(dòng)靈活、抗毀性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，很適合于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)視、偵察、目標(biāo)定位、通信中繼等。作為未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的“殺手锏”，在建立以衛(wèi)星為核心的C I(指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)和情報(bào))一體化系統(tǒng)、提高戰(zhàn)術(shù)武器的隱蔽性、突防能力等方面，微小衛(wèi)星有極大的需求背景。而由微小衛(wèi)星構(gòu)成“衛(wèi)星攻防系統(tǒng)”更是能有效的防止敵國(guó)反衛(wèi)星武器攻擊。皮衛(wèi)星可以與主衛(wèi)星組成網(wǎng)絡(luò)，相互協(xié)同運(yùn)行，當(dāng)敵方反衛(wèi)星武器進(jìn)行攻擊時(shí)，皮衛(wèi)星可以為主衛(wèi)星發(fā)送信息，使主衛(wèi)星及時(shí)采取措施，免遭攻擊；皮衛(wèi)星還可以誘惑、吸引敵方反衛(wèi)星武器，保護(hù)主星；皮衛(wèi)星也可用做反反衛(wèi)星武器，對(duì)敵方反衛(wèi)星武器進(jìn)行攔截。目前，全世界范圍內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行新一代微納衛(wèi)星的研制，比如Dartmouth學(xué)院的Thayer工程系的學(xué)生研制的DARTSat，加州工學(xué)院研制的PloySat，臺(tái)灣NSPO(National Space Program Office)研制的YamSat，都相當(dāng)具有代表性。信息、信息處理和通信網(wǎng)絡(luò)是每一次軍事活動(dòng)的核心?？v觀歷史，軍隊(duì)統(tǒng)帥都將“信息優(yōu)先權(quán)”視為勝利的關(guān)鍵。基于MEMS技術(shù)制造的各類微型傳感器、微型飛行器、微型機(jī)器人和微納衛(wèi)星可以快速、準(zhǔn)確并且廣泛地收集沖突區(qū)域信息，能給軍隊(duì)統(tǒng)帥提供準(zhǔn)確、全面的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)。同時(shí)，MEMS技術(shù)也能使武器平臺(tái)更靈敏、更準(zhǔn)確并且更具殺傷力。所以，MEMS技術(shù)是未來(lái)軍用武器裝備中的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。在軍事領(lǐng)域中迅速應(yīng)用MEMS技術(shù)將是保持軍隊(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)、維護(hù)國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略。
