微系统技术发展和应用

汤晓英

(南京电子技术研究所， 南京 210039)

·总体工程·

微系统技术发展和应用

汤晓英

(南京电子技术研究所， 南京 210039)

作为军事装备自主可控和信息化武器系统微型化、集成化、智能化发展的重要支撑，微系统技术在军事竞争中具有重要的战略意义，受到国外军事强国的高度重视，被美国国防先期研究计划局列为战略发展重点，并设立专门办公室加强技术研究和应用开发，不断加快微系统的发展，推进在武器装备系统中的应用。文中从微系统研究项目、元器件技术、集成技术、算法与架构、热管理技术等方面介绍了国外微系统发展现状，描述了微系统在雷达、通信、电子战等领域的应用情况，分析了微系统技术发展方向和研究重点，提出了我国发展微系统技术的建议。

微系统；微电子；光电子；微机电系统；集成

0 引 言

微系统是以微电子、光电子、微机电系统(MEMS)为基础，结合体系架构和算法，运用维纳系统工程方法，将传感、通信、处理、执行、微能源等功能单元，在维纳尺度上采用异构、异质等方法集成在一起的微型系统。美国国防先期研究计划局(DARPA)将微系统定义为在微电子、微机械、微光学等基础上把传感器、驱动器、执行器和信号处理器等集成在一起的具有一种或多种功能的装置。与传统集成电路主要实现计算、信号处理或信号存储等单一功能不同的是，微系统能够完成信号感知、信息处理、信令执行、通信和电源等多种功能，正向芯片级系统和跨域应用智能信息处理平台芯片发展。微系统迎合了未来武器装备信息平台芯片化发展的需求，也是后摩尔时代军用电子系统发展的方向，其前景日益受到军事强国的重视，美国、欧洲、日本都设立了项目进行技术开发[1]。在微系统的发展上，DARPA提出了两个“100倍”目标，即探测能力、带宽和速度比目前的电子系统提高100倍以上，体积、重量和功耗下降到目前电子系统的1/ 100～1/ 1 000。

1 军用微系统发展现状

1.1 研究项目

美国根据智能化程度将微系统分为四个级别：固定功能、可重构、自适应和智能。目前，微系统技术已经发展到集成微系统阶段，在功能构成上对应于可重构和自适应两个智能级别。美国、欧洲从各方面设立了项目，主要包括：电子元器件技术、集成技术、算法与架构、支撑技术等四大类，各类又包含子领域技术，具体项目在子领域技术下开展，具体项目如图1、图2所示。

1.2 微系统相关元器件技术

微系统元器件呈现出两个方向的发展特点，一是各类电子元器件自身持续向小型化和集成化发展；二是集成了微电子器件和光电子器件优势的光电集成器件发展需求迫切，发展迅速。

图1 美国DARPA微系统重点在研课题

图2 欧洲微系统重点在研课题

1.2.1 微电子技术

微电子器件是先进电子装备的基础和核心，得到军事强国的一致重视，常以战略性超前部署，保证微电子器件的发展速度与军事需求相匹配。微电子器件主要分为第一代硅基器件、第二代化合物半导体器件、宽禁带半导体，以及可替代硅的各种新材料器件等几个方面。

1)模数转换器(ADC)

ADC是连接模拟信号和数字信号的桥梁，随着电磁频谱竞争日益激烈，需要开发超高速ADC，并尽可能向前端靠拢，从而提高雷达、通信、电子战等系统的灵活性和工作性能。2016年1月中旬，DARPA“商用时标阵列(ACT)”项目取得重大进展，开发出了超高速ADC，采样速度达到600亿次/s，是现有商用ADC的10倍，能够探测和分析30 GHz以下频段内的信号，基本覆盖现有雷达、通信、电子战等武器装备的工作频段，将显著提升士兵在战场上态势的感知能力。

2)磁阻随机存储器(MRAM)

MRAM根据在不同磁化方向表现的磁阻高低来记录0和1，兼具SRAM的高读写速度、动态随机存储器(DRAM)的高集成度和闪存的非易失性，具备成为通用存储器的潜力，还有功耗低、寿命长和抗辐射能力强等优点，军事应用潜力巨大，美国DARPA、欧盟都设立了专门项目推动MRAM的发展。2016年1月，美国Cobham半导体公司宣布其非易失性存储器产品UT8MR8M8和UT8MR2M8获得合格供应商目录V级抗辐射认证，满足宇航应用需求。该产品工作电压为3V，工作温度为-40℃～105℃，抗辐射能力为100 krad～1 Mrad，SEL效应大于100 MeVcm2/mg，数据存储时长大于20年，可进行无限次数据读写，可替代3.3 V SRAM，适用于需高速反复读写的存储器应用领域。

3)高效线性全硅发射机集成电路(ELASTx)

由于硅材料器件所能耐受的击穿电压较低，毫米波功率放大器多采用以砷化镓、氮化镓为代表的化合物半导体材料，限制了系统集成度，也无法兼顾线性度和能效要求。DARPA在2010年启动了ELASTx项目，希望使用先进的硅工艺，研制出具有高功率、高能效和高线性度的单芯片毫米波发射机集成电路。2013年，ELASTx团队采用多层堆叠45 nm绝缘体上硅CMOS工艺制造出硅基功率放大器，输出功率在45 GHz达到0.5 W；采用0.13 μm硅锗双极CMOS工艺制作出硅基功率放大器，输出功率在42 GHz达到0.7 W。为提高输出功率，两种方式均使用了多级功率放大结构和片上多路功率合成技术。2014年，ELASTx团队又研制出首个可工作在94 GHz的全硅单片集成信号发射机SoC，将原本由多个电路板、单独的金属屏蔽装置和多条输入/输出连线组成的发射机集成到了一个只有半个拇指指甲盖大小的硅芯片上，实现了硅基射频器件输出功率的大幅提升，以及硅数字信号器件和射频器件的单片集成，如图3所示。此项技术突破有望为未来军用射频系统提供新的设计架构，使下一代军用射频系统体积更小、重量更轻、成本更低和功能更强。

图3 DARPA 94 GHz全硅片上系统发射机

4)氮化镓器件

氮化镓器件具有功率高、体积小、重量低等显著优势，已在雷达、通信、电子对抗等军事装备和商业市场广泛应用[2]。2016年3月，美国Navitas公司采用“AlGaN”工艺设计出650 V单片集成氮化镓功率场效应晶体管，以及氮化镓逻辑和驱动电路，其开关频率达到现有硅基电路的10～100倍，带来更小、更轻和更低功率成本的功率电子器件。2016年4月，美国Wolfspeed公司宣布其碳化硅基氮化镓射频功率晶体管完成性能测试，符合美国NASA卫星和宇航系统所需的可靠性标准。

5)硅可替代材料

在硅可替代材料方面，石墨烯一度被认为是最有可能替代硅的材料，一方面石墨烯大面积制造工艺尚未突破，另一方面石墨烯没有带隙，限制了在高速数字集成电路中的应用。为此，一方面研究为石墨烯注入带隙；一方面研究其他可替代硅的材料，如氧化镓、黑砷磷等[3]。2016年6月，在美国能源部科学办公室和基础能源科学办公室、能源部科学用户设施实验室、美陆军研究实验室武器和材料司令部的支持下，美国密歇根理工大学的研究人员实现了石墨烯薄片和氮化硼纳米管两种材料间的无缝连接，所形成的异质结体现出开关行为特征。2014年5月，美国空军研究实验室发布合同声明，指出β-Ga2O3禁带宽度达到4.8 eV，击穿场强达到8 MV/cm，大约是碳化硅和氮化镓的2～3倍，有望为雷达、电子战和通信系统的一系列军用射频和开关器件带来成本、体积、重量和性能方面的变革，而实现这一切的核心是实现β-Ga2O3衬底。2016年3月，美国Kyma公司和空军研究实验室联合研制出在商用β-Ga2O3衬底体上同质生长外延层的新工艺技术。

1.2.2 光电子器件技术

随着电传输在功耗和速度上面临的多重限制，光传输成为持续发展的重点研究领域，其中光电器件小型化和光电集成是发展重点[4]。2015年12月，DARPA发布模块化光学孔径构建块(MOABB)项目，寻求开发采用自由空间光学技术的轻小型光电传感器熊，达到超小尺寸、超低重量和成本，远快于现有扫描速度的要求；2013年，欧洲发起了欧洲光电子公私合作计划，强化欧洲在光电子领域的领导地位，该计划于2016年2月得到欧盟3 500万欧元的支持，用于建造3条光电子器件和电路的试产线，目标是满足对中红外传感器的需求。为了实现光电集成，DARPA开展了光学优化嵌入式微处理器(POEM)项目和嵌入式计算技术能量效率革命(PERFECT)项目；欧盟也于2016年2月启动硅基直接调制激光(DEMENSION)项目，建立一个真正的单片光电集成平台，实现在硅芯片上制造有源激光组件。

1.2.3 微机电系统器件技术

MEMS器件技术一是研究能使传统机械结构小型化的技术，二是探索在真空电子器件中的应用，通过实现传统真空器件组成部分的小型化形成微真空器件。2013年11月，美国DARPA“太赫兹电子学”项目研究人员在诺·格公司研制的1 cm宽行波真空管基础上，通过采用微真空电子器件的设计思路、微电子器件和微机电系统的制造工艺和材料，研制出世界上首个可工作在0.85 THz的真空管放大器。

1.2.4 微能源器件技术

2016年6月，芬兰爱尔兰延德尔国家研究院技术研究中心结合维纳加工工艺和新研究出的混合纳米材料，研究出能与硅基微电子器件单片集成的微型超级电容器，具备超高能量和集成度等优势，电容值最高达到15 F/cm3，能量密度最高达到1.3 mWh/cm3，功率密度最高达到214 W/cm3。

1.3 集成技术

美国国防部在20世纪90年代末率先提出采用异构集成技术将微电子器件、光电子器件和MEMS器件整合在一起，开发芯片级集成微系统的概念，至此开始三维集成系统的研究。三维集成系统通常采用先进的基于硅过孔(TSV)技术，把RF前端、信号处理、数据存储、传感、控制甚至能量源等多种功能垂直堆叠在一起，以达到缩小尺寸、提高密度、改善层间互联、提高系统功能的目的，从而使武器系统实现多功能和小型化。根据国际半导体技术路线图，三维集成技术是未来关键发展技术之一，是克服由信号延迟导致的“布线危机”的关键技术解决方案。随着电子产品不断向小型化、轻重量和多功能方向的推进，经过多年发展，三维集成技术逐渐形成了两大主流趋势：三维单片集成和三维封装技术，它们分别发展成为IC芯片领域和IC封装领域的领先型技术。2016年3月，IMEC公司在OFC上展示了基于晶圆级集成硅光电平台(iSiPP)上的多种硅光电集成器件的发展，可有效支持50 Gb/s不归零(NRZ)通路数据速率通信的发展，满足高密度、宽带宽、低功耗远程通信和数据通信收发机以及激光雷达等传感器低成本、大批量应用需求，成为高速硅光电集成器件发展史上的又一重要里程碑。

1.4 算法与架构

随着元器件技术向系统方向发展，系统架构和算法所占的比重日益增加，成为微系统技术发展的重点，重要体现在数据融合、智能自主、提高频谱利用率等方面。

多传感器数据融合可有效提升整个传感器系统信息的有效度，比如F-35战斗机的全传感器融合系统能够利用所有机载传感器的信息生成一体化作战图，并通过安全数据链与其他飞行员及指控中心自动共享。美国国防部从算法和硬件两方面加强信息的自主处理能力。算法方面，DARPA自2008年起开展了“视频信号和图像搜索分析工具(VIRAT)”项目和“持久监视开发和分析系统(PerSEAS)”项目，启动了对海量视频检索技术的研究，并于2014年发布了“拒止环境下的协同作战(CODE)”项目，开发高级协同自治算法和软件，使现有无人机平台能在拒止环境下有效运作[5]。硬件方面，DARPA于2008年启动为期6年的“神经形态自适应可塑电子系统(SyNAPSE)”项目，2013年启动为期4年的“传感与分析用稀疏自适应局部学习”项目，开发可在大小、处理速度和能耗方面可与真实大脑媲美的神经形态芯片。2016年2月，麻省理工学院在DARPA支持下研制出以神经网络形态为架构的可进行深度学习的芯片Eyeriss，效能是普通移动处理器的10倍，可在不联网的情况下执行人脸辨别等功能。

1.5 热管理技术

随着电子元器件尺寸不断缩小，集成度提高和功能日益复杂，芯片单位面积内产生的热量急剧增加，已成为制约电子元器件发展的重要因素[6]。传统将热量导出再使用空气冷却的远程散热方式已无法满足要求，限制了器件集成度的进一步提升，导致先进计算机、雷达、激光器、功率源等军用装备中热管理部分所占体积和重量持续上升。为满足未来电子元器件对体积、重量和功耗的要求，以美国DARPA为代表的国防机构和企业积极开展散热技术的研究。

2009年，DARPA启动热管理技术(TMT)项目群，引入新型纳米结构、材料和先进冷却技术降低热传输环节上的热阻，该项目包含主动冷却模块(ACM)、风冷交换器微技术(MACE)、热地平(TGP)、纳米热界面(NTI)和近结热传输(NJTT)。其中近结热传输是研究的重点，也是热管理技术由器件外部转向内部的分水岭。为了进一步加强芯片内部散热技术的研究，DARPA在2012年6月发布ICECool项目公告，开发可将微通道直接嵌入芯片或封装体中的微细加工技术，在纳米尺度实现对流或蒸发等微冷却技术，使电子元器件具备芯片级散热能力，达到热流1 kW/cm2，热密度超过1kW/cm3，局部亚毫米级的热流密度超过5 kW/cm2的目标[7]。2016年3月，美国洛﹒马公司研制出内嵌芯片级微流体散热通道的散热片，尺寸仅为厚250 μm，长5 mm，宽 2.5 mm，如图4所示，所含冷却用水量不足一滴，但足以冷却最热的电路芯片。美国IBM公司在DARPA的发展思路上更进一步，2013年3月提出利用仿生学原理，开展“电子血液”研究，拟通过芯片内部电解液的流动，同时实现芯片冷却和供能，其最终目标是将芯片体积压缩到原来的百万分之一，能效提升10 000倍。IBM计划在该研究的基础上，开发1 018次级微服务器原型，为未来平方千米(SKA)射电望远镜等大型传感器网络提供实时大数据处理能力。2013年10月，IBM制造出可利用“电子血液”进行散热和供能的计算机原型，通过电解液取代电线供电和风能散热，从而节省大部分空间，提高芯片密度。

图4 洛马公司采用内置微流体冷却的紧凑散热板

1.6 其他技术

在微系统技术领域，各国还对生物可分解器件、用于攻击和防守的集成电路安全技术、防止性能减退或失效的自修复技术等进行了研究。

2 军用微系统技术应用

微系统能够极大地提高武器系统的机动性和隐蔽性，改变战场情报获取样式，带来战争形态的本质变革。当前部分新型微系统技术已开始进入实用化阶段，如芯片级原子钟、芯片卫星、微型雷达等。

2.1 雷达应用

2016年4月，德国弗劳恩霍夫研究所应用固态物理IAF分部研发出一种新型高集成度毫米波雷达扫描仪，如图5所示。工作频率为94 GHz，带宽为15 GHz，作用距离达数百米，高频模块采用InGaAs器件技术和特种印制电路板，用来替代传统庞大、笨重的波导，印制电路板尺寸仅为78 mm×42 mm×28 mm，整个雷达模块的大小与一个烟盒类似，适用于工业传感、飞行安全监控等。

图5 弗劳恩霍夫研究所雷达扫描仪及其组成部分

2016年7月，雷声公司被美国陆军研究实验室授予陆军“下一代雷达(NGR)”合同， 研发可缩放、敏捷、多模射频前端技术(SAMFET)，改进依赖雷达的防空反火箭和迫击炮系统功能，特别是在手持、车载和机载等在内的便携式应用。雷声公司将以GaN技术为基础，探索新的模块设计和制造方法，研制能够集成到NGR系统的模块化组成单元，满足NGR的开发架构要求，提供信号处理的灵活性、敏捷性和高效率。

2012年1月，DARPA开发了高集成度二维光学相控阵芯片，将4 096个纳米天线集成到一个硅基底上，尺寸仅有576 μm×576 μm，相当于针尖大小，应用了可扩展大规模纳米天线技术、新型微加工技术以及光电单片集成技术等关键技术，能够形成高分辨率光束，实现新型传感与成像能力。2015年，美国南加州大学实现二维光学相控阵发射模块与控制电路的单片集成，8×8阵列中每个单元可单独调相，实现了300多个独立的光子集成器件与74 000个电子器件单片集成，为实现更高集成度的片上激光相控阵雷达奠定了基础。其二维光学相控阵列芯片是在异质、异构等光电集成关键技术得到逐步突破的基础上实现的，具有多功能、低成本、小型化、高稳定、低功耗等特征。能够有效降低装备的负载和功耗，提高装备稳定性，加快作战反应速度。

随着战场目标越来越多样、任务越来越多元、环境越来越复杂、频谱越来越拥挤，需要雷达在发射接收两端能够实现自适应，达到与外部环境和目标状态相匹配，获取最佳性能。认知雷达能够通过对历史和当前环境的感知、分析、学习、推理和规划，形成发射-接收-处理自适应闭环，提高雷达工作效能[8]。自2006年认知雷达概念提出以来，对认识雷达波形设计、信号处理、资源调度和应用场景开展了广泛研究，但尚未见实装出现，微系统的发展将给认知雷达的实现提供有力支撑。

2.2 通信应用

2016年6月，日本电报和电话公司、富士通和日本国家信息与通信技术研究所合作研发出首个300 GHz太赫兹无线通信用紧凑型收发器，经测试，通过使用正交极化的多路传输可达到40 Gbit/s的数据传输速率。该收发器使用磷化铟基高电子迁移率晶体管作为超高速核心器件，并将其集成到高频收发机单片集成电路中，该收发机将一个集成电路连接到带有天线的金属封装上，总体积小于1 cm3。

2016年5月，德国“先进E波段卫星链路(AC-CESS)”项目在71GHz～76GHz频段(E频带)以6 Gbit/s的传输速率实现了37 km传输，将现有最先进陆地无线传输能力提升了10倍以上，刷新了数据传输记录。新研制的发射机和接收机使用了由IAF研制的GaN和InGaAs微波毫米波单片集成器件。

2.3 电子战应用

为了应对复杂多变的未来战场电磁环境，美国海军启动了“下一代干扰机(NGJ)”研发计划，以替代EA-6B“徘徊者”和EA-18G“咆哮者”电子战飞机上的ALQ-99战术干扰吊舱，形成下一代机载攻击能力。下一代干扰机将采用GaN组件有源电扫阵列天线，大幅度提高发射功率和干扰效果，并可与EA-18G电子战飞机现有机载电子设备实现无缝集成，提高美海军的全频谱干扰能力。该有源电扫阵列天线除具有电子战功能外，还具有雷达、通信和信号情报侦查功能。

随着雷达技术的发展，正从固定波形的模拟系统转变为未知波形的可编程数字系统，对电子战系统发现和对抗雷达威胁提出了挑战。DARPA于2012年发布了“自适应雷达对抗(ARC)”项目，希望引入人工智能和机器学习等技术，基于可观察到的威胁行为，实时分析和学习敌方雷达的行动，自动产生对抗策略，使美国机载电子战系统能够在战场上实时、自动、有效应对行为未知和带有自适应能力的新型数字可编程雷达系统。

2.4 其他应用

微系统还在不依赖GPS的导航、芯片卫星、基于MEMS的微型推进器、纳米激光器、微型机器人等领域得到应用或探索可能的应用途径。

3 微系统技术发展趋势

纵观以美国为代表的军事强国对微系统的发展需求，结合技术发展规律，军用微系统将向小型微型化、多功能集成化、灵活智能化等方向发展[9]。一方面重视多种功能的异质、异构集成，在此基础上实现小型化和微型化；另一方面通过将多个电子元器件进行系统化整合，打造微型作战平台。采用模块化、开放式发展模式，实现先进技术的更快融入和集成，降低系统研发调试的难度和成本。加入自主学习和自主决策能力，提高自适应能力，扩大微系统的作用范围。在14 nm基础上继续下探持续缩小特征尺寸、从三维封装集成到三维单片集成、推进量子和神经形态新计算范式、用数字方式实现模拟功能将是微系统发展的主要内容。

4 结束语

微系统技术对未来战争形态和军事装备发展具有重大影响，对微电子、光电子、MEMS技术以及综合集成技术具有强劲的牵引作用。要站在武器装备创新发展和自主可控的高度，充分认识微系统技术对发展新一代信息化武器装备、推进装备智能发展、转变传统装备制造模式、促进装备体系新格局发展的重要作用，成体系地布局规划军用微系统关键技术攻关和产品研制，解决微系统设计仿真、算法架构、制造集成、测试验证等关键技术问题，坚持军民融合发展理念开展技术合作和资源共享，塑造良好的协同创新机制和发展环境，形成具有国际先进水平的军用微系统科研和制造能力体系。

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汤晓英 女，1965年生，工程师。研究方向为标准化工程。

Development and Application of Microsystem Technology

TANG Xiaoying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

As a significant supporting means for independent & controllable military equipment development and information weapon system miniaturization, integration and intelligence, microsystem technology plays a strategic role in military competence, and is given great focus by strong nations, which is also highlighted by DARPA which set up specified office to enhance technology research and application development so as to push microwave system development and application in weapon equipment. The paper introduces foreign microsystem development status in research programs, component technology, integration technology, algorithm & architecture, TMT, depicts microsystem application in radar, communication, EW, analyzes development trend and significant research areas, and finally presents recommendations for microsystem development of our nation.

microsystem; micro-electronics; optical electronics; MEMS; integration

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.009

汤晓英 Email：2371709964@qq.com

2016-09-20

2016-11-22

TN957

A

1004-7859(2016)12-0045-06