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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-933

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MEMS6

1.4.3 卫星分系统中MEMS7

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 LIGA28

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-843

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-MEMS111

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/HDI187

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-8215

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