微系統(tǒng)是以微納尺度理論為支撐，以微納制造及工藝等為基礎(chǔ)，不斷融入微機(jī)械、微電子、微光學(xué)、微能源、微流動(dòng)等各種技術(shù)，具有微感知、微處理、微控制、微傳輸、微對(duì)抗等功能，并通過(guò)功能模塊的集成，實(shí)現(xiàn)單一或多類(lèi)用途的綜合性前沿技術(shù)。微系統(tǒng)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的新興高新技術(shù)，在信息、生物、航天、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于國(guó)家保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

1.引發(fā)武器裝備重大變革

與傳統(tǒng)裝置相比，微系統(tǒng)由于將各種功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器測(cè)量、無(wú)線(xiàn)通信、軍事國(guó)防、生物化學(xué)、能源環(huán)境等領(lǐng)域。微系統(tǒng)技術(shù)正處于向大規(guī)模應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段，由微器件技術(shù)制造的芯片已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，將對(duì)武器裝備發(fā)展與作戰(zhàn)影響深遠(yuǎn)。

微系統(tǒng)對(duì)于武器裝備發(fā)展具有革命性的影響。微系統(tǒng)技術(shù)將多種先進(jìn)技術(shù)高度融合，將傳統(tǒng)各自獨(dú)立的信息獲取、處理、命令執(zhí)行等系統(tǒng)融為一體，能夠促進(jìn)武器裝備微小型化和智能化，對(duì)于加速武器裝備系統(tǒng)性能的全面提高，有效降低尺寸、重量與成本等具有革命性的影響。例如，采用微系統(tǒng)技術(shù)制造的導(dǎo)彈加速度計(jì)和陀螺儀的價(jià)格僅為原來(lái)的1/50，采用微系統(tǒng)技術(shù)研制的芯片級(jí)原子鐘將比傳統(tǒng)原子鐘體積縮小100倍；由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）主持、霍尼韋爾公司研制的“T-鷹”微型無(wú)人機(jī)已在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)得到了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，其質(zhì)量?jī)H為9千克，可飛行50分鐘。

微系統(tǒng)技術(shù)是DARPA近十年來(lái)大力發(fā)展的現(xiàn)代前沿技術(shù)，對(duì)美國(guó)保持其國(guó)防科技領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)具有重要意義。自1992年以來(lái)，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室已經(jīng)對(duì)微處理器、微機(jī)電系統(tǒng)和光子元器件等微電子產(chǎn)品進(jìn)行了預(yù)先戰(zhàn)略投資，取得了顯著成果。近年來(lái)，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室先后組織實(shí)施了上百項(xiàng)與先進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)密切關(guān)聯(lián)的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，所涉及的項(xiàng)目全面覆蓋了先進(jìn)電子元器件和集成電路發(fā)展的前沿領(lǐng)域，例如寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)、先進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)、電子和光子集成電路、焦點(diǎn)中心研究計(jì)劃、自適應(yīng)焦平面陣列、光纖激光器革命、太赫茲成像焦平面技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微型同位素電源等幾十項(xiàng)研究計(jì)劃。

為了應(yīng)對(duì)新的安全挑戰(zhàn)，DARPA微系統(tǒng)辦公室目前已著手開(kāi)發(fā)新一代微系統(tǒng)技術(shù)。2013年1月，DARPA和美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟共同宣布開(kāi)展半導(dǎo)體技術(shù)跨代研究，實(shí)施“半導(dǎo)體技術(shù)先期研究網(wǎng)絡(luò)”（STARnet）計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是，攻克影響下一代半導(dǎo)體技術(shù)長(zhǎng)期性發(fā)展的全局性重大技術(shù)難題，發(fā)展新原理、新材料、新技術(shù)、新器件、新型片內(nèi)微架構(gòu)、新型系統(tǒng)集成方式和全新應(yīng)用方式，使微納電子技術(shù)發(fā)展擺脫CMOS器件的固有模式和局限，改變數(shù)十年來(lái)“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式，使下一代半導(dǎo)體技術(shù)在新基礎(chǔ)上獲得更大發(fā)展空間，使美國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)在未來(lái)數(shù)十年繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。

圖 采用14納米工藝的英特爾處理器

2.微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)取得多項(xiàng)突破

微系統(tǒng)涉及微處理器、微機(jī)電系統(tǒng)、微電子、微集成等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，微系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，微系統(tǒng)集成方法與工藝有了新的突破，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小，微處理器、微射頻器等性能進(jìn)一步提升，碳化硅與氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料器件日益成熟并進(jìn)入應(yīng)用階段，為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了有效支撐。

微傳感器是傳感技術(shù)微型化的基礎(chǔ)，是微系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)技術(shù)。近年來(lái)，微傳感器性能不斷提升，可感知對(duì)象不斷豐富，在生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各種傳感裝備的微型化發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。例如，DARPA近年來(lái)開(kāi)展研制獨(dú)立的芯片級(jí)慣性導(dǎo)航和精確制導(dǎo)系統(tǒng)部件，降低武器系統(tǒng)對(duì)GPS系統(tǒng)的依賴(lài)，新器件比傳統(tǒng)慣性器件尺寸更小、重量更輕、功耗更低，其工作功率不超過(guò)幾十毫瓦。

微處理器向著小線(xiàn)寬、低功耗、高性能、智能化方向發(fā)展。2011年，三柵晶體管結(jié)構(gòu)微處理器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，標(biāo)志著晶體管結(jié)構(gòu)從平面到立體的根本性轉(zhuǎn)變，其性能提升37%，功耗降低了50%，成為半導(dǎo)體發(fā)展50年來(lái)最重要的突破；2013年，美國(guó)啟動(dòng)下一代空間微處理器項(xiàng)目，其目標(biāo)是發(fā)展24個(gè)支持32位計(jì)算的處理器內(nèi)核，支持100億次/秒浮點(diǎn)運(yùn)算，功率不超過(guò)7瓦，具有4～8個(gè)第三代或第四代雙倍速率同步存儲(chǔ)器端口；2014年，IBM公司宣布成功研制第二代類(lèi)腦計(jì)算芯片“真北”，該芯片架構(gòu)類(lèi)似人腦，集運(yùn)算、通信、存儲(chǔ)功能于一體。

微系統(tǒng)制造工藝有了大幅提高，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小。2014年，美國(guó)和日本先后展示了采用14納米工藝實(shí)現(xiàn)的微處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列產(chǎn)品，以及15納米工藝實(shí)現(xiàn)的閃存；2014年，三星公司14納米三柵極FinFET芯片工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)，相比20納米半導(dǎo)體工藝，14納米工藝可以將處理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面積減少15%。借助14納米工藝，微處理的性能在進(jìn)一步提高的同時(shí)，功耗和成本有所降低。

微集成技術(shù)正在由平面集成向三維集成發(fā)展，由芯片級(jí)向集成度和復(fù)雜度更高的系統(tǒng)級(jí)發(fā)展。微集成技術(shù)的成熟將帶動(dòng)具備傳感、處理、控制等多種功能的微系統(tǒng)快速發(fā)展，在大幅提升性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能耗和體積數(shù)十至數(shù)百倍的降低。在集成技術(shù)方面，開(kāi)展了“三維集成電路”和“多方式異構(gòu)集成”等三維集成技術(shù)研究，多個(gè)低功率、小信號(hào)、同質(zhì)微電子器件的三維集成已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝；微/光電子、微機(jī)電系統(tǒng)等多種器件間的集成獲較大進(jìn)展。DARPA在2011年啟動(dòng)“電子-光子混雜集成”（E-PHI）計(jì)劃，目標(biāo)是將高速電子直接與芯片級(jí)的光子微系統(tǒng)集成到一個(gè)微型硅芯片上，2014年該項(xiàng)目成功地在硅片上集成數(shù)十億個(gè)發(fā)光點(diǎn)，發(fā)出有效的硅基激光。

微射頻集成芯片實(shí)現(xiàn)新突破，二維光學(xué)相控陣列等新型光電集成器件問(wèn)世。DARPA在“高效線(xiàn)性全硅發(fā)射機(jī)集成電路”項(xiàng)目下成功研制出首個(gè)可工作在94吉赫的全硅單片集成信號(hào)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)級(jí)芯片，將原本由多個(gè)電路板、單獨(dú)的金屬屏蔽裝置和多條輸入/輸出連線(xiàn)組成的發(fā)射機(jī)集成到了一個(gè)只有半個(gè)拇指指甲蓋大小的硅芯片上，實(shí)現(xiàn)了硅基射頻器件輸出功率和效率的大幅提升，以及硅數(shù)字信號(hào)器件和射頻器件的單片集成，標(biāo)志著全硅系統(tǒng)級(jí)芯片首次達(dá)到毫米波范圍。此項(xiàng)技術(shù)有望為未來(lái)軍用射頻系統(tǒng)提供新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，使下一代軍用射頻通信系統(tǒng)體積更小、重量更輕、成本更低、功能更強(qiáng)。2013年，DARPA開(kāi)發(fā)出二維光學(xué)相控陣芯片，將4096個(gè)納米天線(xiàn)集成到一個(gè)硅基底上，尺寸只有一個(gè)針尖大小，該芯片的成功表明異質(zhì)、異構(gòu)硅基光電集成技術(shù)取得重要進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵是：一種可以擴(kuò)展以容納大量納米天線(xiàn)的設(shè)計(jì)；新的微尺寸加工工藝；將電子和光學(xué)部件集成到一塊單獨(dú)的芯片。

圖 “矢量鷹” 微型無(wú)人機(jī)

3.轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)入快車(chē)道

隨著微系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。微系統(tǒng)技術(shù)在導(dǎo)彈、飛行器、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，產(chǎn)生了顯著的效益。

利用微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的微慣性測(cè)量裝置具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、抗振動(dòng)、抗沖擊能力強(qiáng)和集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種武器的制導(dǎo)系統(tǒng)、光學(xué)伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等，對(duì)于小型飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。國(guó)外研制的部分微型慣性測(cè)量裝置已經(jīng)具有戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度，在制導(dǎo)武器中開(kāi)始大量應(yīng)用。例如，美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司制造的SiACTM加速度計(jì)，具有戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航兩種級(jí)別的精度，已經(jīng)在“先進(jìn)中程空空導(dǎo)彈”“制導(dǎo)多管火箭系統(tǒng)”以及指揮直升機(jī)上得到應(yīng)用。微處理器是微系統(tǒng)技術(shù)在導(dǎo)彈中的另一個(gè)主要應(yīng)用，高性能微處理器的應(yīng)用使導(dǎo)彈制導(dǎo)能力得到進(jìn)一步提升。

微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了微小無(wú)人裝備的發(fā)展，近期在微小無(wú)人飛行器和微型機(jī)器人等方面均取得了新進(jìn)展。DARPA從2009年就啟動(dòng)了混合昆蟲(chóng)微機(jī)電計(jì)劃，目的是發(fā)展可以控制昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，該項(xiàng)目承研單位美國(guó)密歇根大學(xué)和猶他大學(xué)2012年研發(fā)出一個(gè)原型，可以讓半機(jī)械甲蟲(chóng)通過(guò)植入方式，利用翅膀震動(dòng)產(chǎn)生電能。2014年5月，美國(guó)洛克希德·馬丁公司推出“矢量鷹”多任務(wù)微型無(wú)人機(jī)，起飛總重只有約1.8千克，其縱向剖面只有約10厘米，擁有一流的載荷、速度和航時(shí)能力?！笆噶窥棥蔽⑿蜔o(wú)人機(jī)可以在戰(zhàn)場(chǎng)上根據(jù)各種任務(wù)重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和傾轉(zhuǎn)旋翼型。由于具備開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)的型式、自適應(yīng)數(shù)據(jù)鏈以及載荷可擴(kuò)展等特性，“矢量鷹”具備廣泛的使用范圍和較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2014年，美國(guó)哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出了一款名為Kilobot的機(jī)器人。這款機(jī)器人直徑約為2.5厘米，能夠與其他同種類(lèi)型的機(jī)器人共同協(xié)作完成任務(wù)。機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)由1024個(gè)Kilobot機(jī)器人組成的“團(tuán)隊(duì)”，可以依靠自身的振動(dòng)來(lái)移動(dòng)，并能與附近其他的Kilobot機(jī)器人交流。Kilobot機(jī)器人內(nèi)置微處理器，能維持至少3小時(shí)的操作，帶有兩個(gè)振動(dòng)馬達(dá)，通過(guò)三個(gè)腿向左、向右或水平向前移動(dòng)。Kilobot底部配有一個(gè)廣角紅外收發(fā)器，可以發(fā)射光束到光滑面上，同時(shí)也可以接受相鄰Kilobot反射的光束，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)彼此間的互動(dòng)，判斷彼此間的距離。同時(shí)，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)面向未來(lái)的軍用微型機(jī)器人，能執(zhí)行隱蔽監(jiān)聽(tīng)和監(jiān)視可疑敵對(duì)目標(biāo)任務(wù)，幫助士兵和指揮員進(jìn)行態(tài)勢(shì)評(píng)估。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室演示驗(yàn)證了利用微機(jī)電系統(tǒng)制造工藝開(kāi)發(fā)出的仿昆蟲(chóng)三關(guān)節(jié)腿式毫米級(jí)自主機(jī)器人系統(tǒng)，目前正在開(kāi)發(fā)和測(cè)試毫米級(jí)的機(jī)器人腿形結(jié)構(gòu)，包括壓電薄膜制動(dòng)器和銅薄膜分段結(jié)構(gòu)，目的是用于模擬腿部動(dòng)力學(xué)，使其具備移動(dòng)、提升和抗沖擊能力。

微系統(tǒng)在雷達(dá)方面得到了廣泛應(yīng)用，在提高雷達(dá)性能的同時(shí)大幅縮小其重量和體積。2014年10月，美國(guó)“陸軍聯(lián)合陸上巡航導(dǎo)彈組網(wǎng)防御傳感器系統(tǒng)”（JLENS）系統(tǒng)通過(guò)關(guān)鍵里程碑測(cè)試，并于12月在美國(guó)馬里蘭州的阿伯丁地面試驗(yàn)場(chǎng)正式部署，標(biāo)志著由MEMS開(kāi)關(guān)組成的雷達(dá)天線(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。JLENS上安裝了X波段的MEMS電掃描相控陣，該天線(xiàn)陣面積僅0.4平方米，使用了2.5萬(wàn)只射頻 MEMS開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了±60°電掃描角度，空中探測(cè)距離超過(guò)20千米。

利用微系統(tǒng)技術(shù)可以制造體積非常小且具有一定功能的產(chǎn)品，在醫(yī)療植入、生命體征檢測(cè)等生物與健康領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展。DARPA與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院研發(fā)了基于MEMS的“片上人體系統(tǒng)”，該項(xiàng)目基于MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)微流體芯片來(lái)模擬人體的實(shí)際生理反應(yīng)，目的是加速新藥物的研發(fā)速度和效率，并提供快速檢測(cè)不明物質(zhì)毒性的方法。2014年1月，谷歌公司發(fā)布了一款智能隱形眼鏡，可通過(guò)分析佩戴者淚液中的葡萄糖含量幫助糖尿病患者監(jiān)測(cè)血糖水平，從而免去糖尿病患者取血化驗(yàn)的痛苦。該隱形眼鏡內(nèi)置上萬(wàn)個(gè)微型晶體管和細(xì)如發(fā)絲的天線(xiàn)，以無(wú)線(xiàn)形式發(fā)送到智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上。2014年11月，美敦力公司發(fā)布了全球最小的心臟起搏器Micra，Micra通過(guò)微創(chuàng)方式，由腿部血管進(jìn)入心臟，體積僅為傳統(tǒng)起搏器的1/6。

圖 運(yùn)用微系統(tǒng)技術(shù)的隱形眼鏡

4.結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，微系統(tǒng)技術(shù)正從平面集成到三維集成、從微機(jī)電/微光電到異質(zhì)混合集成、從結(jié)構(gòu)/電氣一體化到多功能一體化集成等方向發(fā)展，并正與生命科學(xué)、量子技術(shù)、微納前沿交織融合。微系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品也正從芯片級(jí)、組部件級(jí)向復(fù)雜程度更高的系統(tǒng)級(jí)(微型飛行器、片上實(shí)驗(yàn)室)等發(fā)展，成為聚集前沿科技創(chuàng)新發(fā)展的重要領(lǐng)域。微系統(tǒng)技術(shù)對(duì)武器系統(tǒng)小型化、智能化和輕量化將產(chǎn)生顛覆性影響，在一定程度上將改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)模式。

（來(lái)源：軍事文摘，作者：吳勤）