Применение микроэлектромеханических систем в военном спутникостроении (2004)

Капитан В. Алёхин

Анализ тенденций развития зарубежной космической техники показывает, что основные усилия специалистов на протяжении многих лет направлены на снижение массогабаритных характеристик КА, повышение срока их активного существования на орбите, снижение стоимости их производства, выведения на орбиту и эксплуатации аппаратов. Современная технологическая база спутникостроения не позволяет добиться коренного улучшения этих параметров.

По оценкам зарубежных специалистов, революционное изменение технического облика перспективной космической техники (КТ) может произойти благодаря внедрению в конструкцию и бортовые системы КА принципиально новой технологической базы на основе микроэлектромеханических (МЭМС) и микрооптоэлектромеханических (МОЭМС) систем.

МЭМС представляют собой новый класс комплексных микроминиатюрных изделий, которые структурно объединяют в себе в различных комбинациях механические, оптические и электронные компоненты. Они имеют значительно меньшие массогабаритные характеристики, менее инерционны и более точны.

Производство МЭМС требует применения специальных технологий, позволяющих реализовать предъявляемые к ним требования, а именно: точность выдерживания геометрических размеров и компоновки; гибкость проектирования; наличие интерфейса с управляющим радиоэлектронным оборудованием (РЭО); взаимозаменяемость, надежность, высокий КПД и низкая стоимость.

МЭМС производятся с применением специфических технологий объемной и поверхностной микрообработки, а также традиционных технологий интегральных схем. Это позволяет создавать миниатюрные прецизионные многофункциональные устройства с высоким уровнем интеграции.

При создании МЭМС используются кремний и его производные. Он может использоваться в качестве конструкционного материала, подложки для электроники и микроэлектромеханических структур, антирадиационного защитного покрытия, в системах терморегулирования, а также как оптический материал.

Созданные по технологии МЭМС микродатчики и микроприводы, выполняя функции своеобразного интерфейса между РЭО и окружающей средой, способны эффективно решать задачи сбора и обработки данных, а также выполнять функции исполнительных устройств.

Подобные многокомпонентные интегральные микросистемы применяются при обработке сигналов в измерительных и исполнительных системах, а также системах связи.

Миниатюрность, многокомпонентность и наличие микроэлектроники, присущие технологии МЭМС, делают ее особенно привлекательной для использования при создании низкостоимостных микросистем, обладающих высокими техническими характеристиками и объединенных в одной микросхеме.

Авиационно-космические фирмы проявляют возрастающий интерес к технологиям МЭМС в связи с возможностью их широкого применения в космической технике.

Рис. 1. Датчик абсолютного давления а) внешний вид; б) схема датчика в разрезе

Рис. 2. Микроакселерометр

Рис. 3. Элемент ЦМЗУ

Рис. 4. Схема микродатчика Солнца

Рис. 5. Схема МЭМС импульсного двигателя

Рис. 6. Схема матрицы цифрового микродвигателя

Рис. 7. Микрорефлектор с двумя степенями свободы

Рис. 8. Схема "МЭМтроник" - микропереключателя

Рис. 9. Концептуальная модель наноКА США: 1 - СБ; 2 - модуль АБ (не кремниевый); 3 - модуль с главным зеркалом; 4 - антенна; 5 - модуль системы управления положением; 6 - основной модуль (блок распределения энергии, ЭВМ и ЗУ, оптические датчики, инерциальные датчики, радиоаппаратура)

За последние годы были разработаны устройства, которые по функциональному назначению могут быть использованы при создании перспективной КТ.

Датчики давления. Технология МЭМС применяется для производства широкого спектра датчиков давления (абсолютного, дифференциального). Чувствительный элемент типового датчика состоит из подвижной диафрагмы, деформирующейся в зависимости от перепада давления. На выходе формируется пропорциональный ему электрический сигнал. На рис. 1 показан датчик абсолютного давления, разработанный фирмой "Моторолла".

Акселерометры, выполненные по технологии МЭМС, появились сравнительно недавно. Чувствительным элементом устройств является инерциальная масса (груз), подвешенная на пружине. При ускорении на груз действуют силы, в результате чего он отклоняется от нулевого положения до тех пор, пока не уравновесится силой сопротивления пружины.

Величина смещения преобразуется в электрический сигнал на выходе устройства. На рис. 2 показан внешний вид микроакселерометра фирмы "Аналог девайсез". Акселерометр создан по технологиям поверхностной микрообработки, комбинации технологий биполярных плоскостных транзисторов (БПТ) и комплиментарных металлооксидных полупроводников (КМОП).

Инерциальная масса представляет собой серию поперечных пальцевидных пластин длиною 150 мкм, соединенных с центральной пластиной. Они располагаются на расстоянии 2 мкм от подложки.

В акселерометре используется емкостный метод измерения. В результате отклонения инерциальной массы изменяется емкостное сопротивление между пластинами. Изменение емкости преобразуется в электрическое напряжение, пропорциональное ускорению.

Цифровые микрозеркальные устройства (ЦМЗУ) представляют собой микросхему, состоящую из матрицы микрозеркал, функционально соединенных с ячейками памяти. Для создания отраженного панхроматического изображения используются микропереключатели.

Конечные цифровые изображения получаются после прохождения сигнала через соответствующие фильтры. Матрица микрозеркал изготавливается по технологии поверхностной микрообработки, а модули памяти - по стандартной КМОП-технологии. Матрица зеркал герметично закрывается защитным неотражающим стеклом для предотвращения отказов вследствие загрязнения матрицы. Каждое зеркало представляет собой квадрат со стороной 16 мкм. Межзеркальное расстояние составляет 1 мкм. Количество зеркал в одной микросхеме варьируется от 307,2 тыс. до 1,3 млн при условии равенства 1 пиксель=1 зеркало.

На рис. 3 показан элемент ЦМЗУ.

Для работы в цифровом режиме ЦМЗУ изготовлено бистабильным. Микрозеркала могут быть отклонены либо на +10°, либо на -10°. При соединении с соответствующей оптикой, цветовым кругом и схемой электронного управления ЦМЗУ может использоваться для формирования высококачественных изображений.

Датчики положения. Пространственное положение КА может определяться несколькими способами: по направлению на Солнце, звезды, Землю, измерением вектора магнитного поля, измерением сдвига фаз сигналов от КА космической радионавигационной системы NAVSTAR. Для оптических датчиков определения положения по Солнцу, звездам и Земле абсолютная точность может составлять величину их как на низких, так и на геостационарных орбитах. Датчики магнитного поля применяются в основном на низкоорбитальных орбитах, так как точность их измерений зависит от плотности ЭМП.

Использование КРНС NAVSTAR является наиболее перспективным методом определения абсолютного местоположения КА. Применение МЭМС при проектировании датчиков положения позволит значительно уменьшить массогабаритные характеристики и потребляемую мощность устройств. На рис. 4 показана схема датчика Солнца для невращающегося КА.

Для определения местоположения КА используются также гироскопы. В современных КА применяются прецессионные, вибрационные, лазерные и волоконно-оптические гироскопы (ВОГ). При этом скорость ухода у них не должна превышать 1°/ч (в диапазоне 0,1 Гц). В ближайшие пять-сеть лет планируется снизить эту величину до 0,03°/ч. По мнению зарубежных специалистов, ВОГ являются наиболее перспективными датчиками положения. Технология производства волоконно-оптических линий позволяет создавать одноосные датчики со скоростью сноса менее 0,01º/ч, потребляемой мощностью 5 Вт, массой около 0,3 кг, диаметром 10 см и длиной 3 см.

Силовые установки необходимы для маневрирования и могут использоваться для управления положением КА.

Применяя технологии поверхностной и объемной микрообработки, можно создавать микродвигатели, представляющие собой послойную конструкцию, состоящую из топливных баков, системы распределения и расхода топлива, систем температурного контроля и давления.

Концепция простейшего импульсного двигателя приведена на рис. 5.

На одной подложке можно размещать матрицы микродвигателей.

Концептуальная схема матрицы одноразового цифрового микродвигателя показана на рис. 6. Каждая ячейка создает импульс при воспламенении топлива.

Микрооптические электронные системы. Оптико-электронные системы (ОЭС) используются на КА в качестве датчиков положения и камер обзора земной поверхности. МЭМС и МОЭМС не заменят макроскопические линзы и зеркала, но они могут использоваться для управления фокальной плоскостью ОЭС и световыми лучами для оптической межспутниковой связи. Возможно, МОЭМС найдут применение в волоконно-оптических линиях передач данных, ВОГ, системах лазерной связи, например, для фокусировки выходного луча лазера в волоконно-оптическую линию или в качестве сканирующего зеркала для управления лучом. На рис. 7 показана сканирующая система (микрорефлектор), разработанная в Калифорнийском университете (США). Сторона сканирующего зеркала составляет 200 мкм, угол отклонения - 90°, скорость сканирования - 10,2 рад/с.

МОЭМС могут также применяться при создании микроспектрометров видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра, датчиков земного горизонта, а комплексные системы - для средств землеобзора (метео- и температурного контроля).

Возрастающие требования к системам связи, как внутри КА, так и межспутниковой, а также внедрение фотонных технологий позволят МЭМС и МОЭМС найти самое широкое применение при создании уголковых и кубических микроотражателей, туннельных оптических фильтров, деформируемых микрозеркал и т. п.

"МЭМтроник"-устройства. Электроника присутствует практически во всех системах КА. Электронные компоненты можно разделить на электронные (индуктивности, транзисторы, резисторы), не требующие механически подвижных элементов, и электромеханические (кварцевые гетеродины, реле, переключатели, фильтры поверхностных акустических волн, конденсаторы переменной емкости, потенциометры), требующие перемещения, вращения или колебаний.

Одновременное применение технологий производства МЭМС и полупроводниковых приборов позволяет размещать электронные и электромеханические компоненты на одной подложке, что значительно уменьшает количество макроскопических электрических соединений.

Резисторы, емкости и индуктивности обычно рассматриваются как пассивные элементы, транзисторы и диоды - как активные. МЭМС меняют эти правила, позволяя создавать активные емкости, индуктивности и резисторы, а также использовать микропереключатели и микрореле, которые могут потенциально соперничать с транзисторами и иметь достаточно широкое применение. Подобные элементы в зарубежных источниках называются "МЭМтроник"-устройства. Эти устройства представляют чрезвычайный интерес для космической промышленности, так как они в большей степени радиационно-стойкие по сравнению с обычными микросхемами и могут функционировать в широком диапазоне температур (50-1 500 К).

Радиочастотные микропереключатели могут применяться в активных фазированных антенных решетках (АФАР) при производстве фазовращателей приемопередающих устройств. В данном случае микропереключатели превосходят транзисторы, так как они имеют большую полосу частот и малые вносимые потери. МЭМС-переключатели могут заменить транзисторы и в цифровых схемах. В технологическом институте ВВС США были разработаны микрорелейные переключатели и триггеры для применения в космической технике.

На рис. 8 показана схема МЭМС-переключателя, который функционально эквивалентен полевому транзистору, используемому в цифровом режиме.

В ближайшее время ожидается расширение областей применения МЭМС в науке и технике. В спутникостроении МЭМС будут применяться при как создании платформ и обеспечивающих систем, так и целевого оборудования КА (см. таблицу).

Применение МЭМС в спутникостроениии
Подсистема КА	Устройства МЭМС
Система управления	- МЕМтроник-устройства для логических систем радиационного и температурного контроля; - температурные переключатели для сохранения и сброса состояния
Инерциальные системы	- микрогироскопы; - микроакселерометры; - микрозеркала; - микрооптика для волоконно-оптических гироскопов
Система контроля и управления положением КА	- солнечные микродатчики; - микродатчики земного горизонта; - микродвигатели
Подсистема энергообеспечения	- блокировочные МЕМтроник-диоды; - МЕМтроник переключатели для реконфигурации СБ; - микротермоэлектрические батареи
Силовые установки	- микродатчики давления; - химические датчики (датчики утечки); - матрицы одноразовых двигателей ("цифровые двигатели"); - микродвигатели непрерывного действия (на холодном газе, твердотопливные, малые бортовые для коррекции орбиты, ионные); - импульсные двигатели (на водном электролизе, импульсно-плазменные)
Система терморегулирования	- тепловые трубы; - микрорадиаторы; - температурные переключатели
Система связи и ФАР	- широкополосные, маломощные, низкоомные, радиочастотные переключатели; - микрозеркала и микрооптика для лазерной системы связи; - микромеханические конденсаторы переменной емкости, катушки переменной индуктивности (вариометры), генераторы переменной мощности
Датчики контроля окружающей среды	- микромеханический магнитометр; - гравитационные датчики (нано-g акселерометры)
Распределенные датчики	- многофункциональные специализированные датчики с акселерометрами и химическими детекторами
Соединения и компоновка элементов КА	- внутренние соединения и компоновка для лучшей ремонтопригодности; - программируемые структуры соединений; - "умные" внутренние соединения с положительной обратной связью

Применение МЭМС в космической технике позволит: существенно снизить общую массу КА (при одновременном увеличении относительной массы ЦО) и его стоимость; повысить степень стандартизации узлов конструкций космических аппаратов и их устойчивость к вредным факторам в процессе запуска и эксплуатации; обеспечить широкие возможности по интеграции подсистем, их саморегуляции и самоприспосабливаемости, а также обеспечит возможность проведения сборки, обслуживания и ремонта КА на орбите.

Появление устройств МЭМС повлекло за собой создание новых классов КА.

Среди них - микроКА (массой 10-100 кг), наноКА (1-10 кг) и пикоКА (менее 1 кг).

На рис. 9 представлена концептуальная модель наноКА, предназначенного для обзора земной поверхности с низкой околоземной орбиты.

По мнению военного руководства США и стран НАТО, нано- и пикоКА значительно пополнят космическую военную группировку КА разведки и связи. Обычные КА, возможно, будут комплектоваться некоторым количеством пикоКА, которые будут выполнять функции служебных подсистем для диагностики и ремонта. Кроме этого, применение пикоКА будет полезным при проведении миротворческих операций, что подразумевает выведение по команде на околоземную орбиту сотен таких КА при помощи одной ракеты-носителя или с самолета. В течение нескольких дней после запуска они будут распределены по орбитам таким образом, чтобы несколько КА постоянно находилось над интересующим районом земной поверхности.

Таким образом, в результате анализа проводимых в зарубежных странах работ по применению МЭМС в космической технике эксперты сделали ряд выводов:
- целями применения МЭМС в космической технике является создание перспективных космических систем качественно нового уровня, например группировок пикоКА или наноКА, являющихся элементами распределенных структур и обслуживающими модулями крупногабаритных КА;
- при разработке КА МЭМС будут применяться для создания как платформ и обеспечивающих систем, так и целевого оборудования;
- применение МЭМС позволит удовлетворить основные конструкционные, функциональные и экономические требования, предъявляемые к перспективной космической технике.

Зарубежное военное обозрение 2004 №2, С. 49-54