内容简介
作为航空航天领域典型的颠覆性技术之一，导航、制导与控制（GNC）微系统基于开放式体系架构，将多源感知、异构多核处理器、电源转换与管理等多功能部组件进行系统级微尺度集成，通过灵活组合模式扩展其他部组件，形成GNC微系统。当前，微系统技术方面已多有著述，主要是从微电子集成工艺及器件等角度，阐述微系统设计思路和研制过程，而《导航、制导与控制（GNC）微系统技术》的特点是从系统工程的角度进行顶层正向设计，指出GNC微系统工程设计和实用化过程，应以导航、制导与控制专业为引领，以先进微电子集成工艺为基础，交叉融合，形**的设计和研制理念，并产生由功能“量变”到应用“质变”的颠覆性影响。因此，深度掌握GNC微系统从顶层到底层的实现逻辑，有利于理解微系统的核心和关键，并为其他种类微系统设计提供借鉴。
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 微系统技术概述 2
1.1.1 微系统概念的提出 2
1.1.2 微系统技术的内涵 3
1.1.3 微系统的主要分类 4
1.1.4 微系统的主要特点 7
1.1.5 微系统技术发展前景 7
1.2 微系统技术发展历程 8
1.2.1 美国微系统技术发展概况 8
1.2.2 欧洲微系统技术发展概况 10
1.2.3 日本微系统技术发展概况 11
1.2.4 我国微系统技术发展概况 12
1.3 微系统典型应用现状 14
1.3.1 航空航天领域 14
1.3.2 军事装备领域 16
1.3.3 其他典型领域 17
1.4 导航、制导与控制微系统 20
1.4.1 导航、制导与控制技术概述 20
1.4.2 微系统技术与GNC技术的关系 20
1.4.3 GNC微系统的基本特征 22
1.4.4 GNC微系统的发展现状 23
1.4.5 典型GNC微系统技术概述 25
1.4.6 GNC微系统技术的发展前景 28
参考文献 29
第2章 GNC微系统架构设计技术 33
2.1 概述 34
2.1.1 微系统架构设计 34
2.1.2 GNC微系统架构设计 37
2.1.3 典型GNC微系统架构设计 38
2.2 GNC微系统通用架构设计 47
2.2.1 通用架构总体设计 48
2.2.2 硬件架构设计 49
2.2.3 软件架构设计 53
2.2.4 即插即用设计 60
2.2.5 多场耦合性能设计 65
2.3 GNC微处理器技术 68
2.3.1 微处理器概述 68
2.3.2 微处理器分类 69
2.3.3 微处理器架构 70
2.3.4 GNC微处理器应用设计 71
2.3.5 GNC微处理器软件优化设计 74
2.3.6 GNC微处理器软件优化实例 75
参考文献 76
第3章 GNC微系统工艺技术 79
3.1 概述 80
3.2 微系统工艺技术发展现状 80
3.2.1 2D集成封装技术 81
3.2.2 2.5D集成封装技术 82
3.2.3 3D集成封装技术 84
3.3 微系统集成关键技术 95
3.3.1 微凸点技术 95
3.3.2 重布线技术 97
3.3.3 硅通孔技术 99
3.3.4 无源器件集成技术 103
3.3.5 芯粒技术 106
3.3.6 光电子集成技术 109
3.4 晶圆级封装关键技术 112
3.4.1 圆片级芯片规模封装技术 112
3.4.2 GNC微系统核心器件晶圆级封装技术 116
3.5 GNC微系统三维热管理技术 120
3.5.1 微流道技术 120
3.5.2 微热管技术 123
3.5.3 微型热电制冷技术 125
3.5.4 高热导率导热薄膜技术 127
3.6 GNC微系统工艺技术发展趋势 129
3.6.1 MEMS惯性器件的平面化技术 129
3.6.2 微感知与微执行器件的先进集成技术 131
3.6.3 GNC微系统的3D集成技术 134
参考文献 135
第4章 GNC微系统典型器件技术 139
4.1 概述 140
4.2 微感知器件技术 140
4.2.1 卫星导航芯片 140
4.2.2 微型磁强计 142
4.2.3 MEMS气压计 145
4.2.4 红外焦平面探测器 148
4.2.5 MEMS激光雷达 150
4.2.6 微波光子雷达 153
4.2.7 微型星敏感器 156
4.3 微执行器件技术 160
4.3.1 微型舵机 160
4.3.2 微型电机 163
4.3.3 微型推进器 165
4.4 其他典型微器件技术 171
4.4.1 芯片级原子钟 171
4.4.2 微型数据链芯片 176
参考文献 182
第5章 MEMS惯性器件技术 185
5.1 概述 186
5.1.1 MEMS陀螺仪的基本原理及分类 186
5.1.2 MEMS陀螺仪国内外发展现状 187
5.1.3 MEMS加速度计的基本原理及分类 189
5.1.4 MEMS加速度计国内外发展现状 190
5.1.5 MEMS惯性器件的发展趋势 194
5.2 MEMS陀螺仪的典型结构方案 195
5.2.1 线振动式MEMS陀螺仪 195
5.2.2 角振动式MEMS陀螺仪 196
5.2.3 振动环式或固体波动式MEMS陀螺仪 196
5.3 MEMS陀螺仪敏感结构设计 198
5.3.1 MEMS陀螺仪动力学方程 198
5.3.2 MEMS陀螺仪检测轴结构方案设计 200
5.3.3 敏感结构弹性梁及工作模态设计 201
5.3.4 敏感结构电容极板设计 202
5.4 MEMS陀螺仪检测与控制系统设计 203
5.4.1 微小电容检测电路 203
5.4.2 MEMS陀螺仪驱动控制回路 204
5.4.3 MEMS陀螺仪开环相敏检测回路 205
5.4.4 MEMS陀螺仪闭环检测回路 207
5.4.5 陀螺仪控制电路的集成 208
5.5 MEMS加速度计的典型结构方案 209
5.5.1 “三明治”式MEMS加速度计 209
5.5.2 扭摆式MEMS加速度计 210
5.5.3 梳齿式MEMS加速度计 212
5.5.4 硅谐振式MEMS加速度计 213
5.6 电容式MEMS加速度计设计 214
5.6.1 电容式MEMS加速度计动力学方程 214
5.6.2 “三明治”
试读
第1章绪论
1.1 微系统技术概述
随着微电子、先进材料、集成工艺等基础性技术的蓬勃发展，当代电子系统已呈现微型化、集成化、智能化的发展趋势。20世纪下半叶以来，以提高处理速度和器件集成度为目标，传统微电子技术通过标准化工艺，在硅晶体上集成大规模微电子元器件，*终形成集成电路（integrated circuit，IC），奠定了电子系统微型化和信息化的技术基础。长期以来，集成电路技术一直遵循摩尔定律（Moore’s law）描述的路径，几乎以每两年更新一代的速度发展。就IC芯片工艺实际发展趋势而言，当前IC芯片的先进工艺节点已经进入5～7nm技术，并逐渐向1.5～3nm技术节点发展[1， 2]，这意味着硅工艺技术发展已逼近极限，由摩尔定律主宰了半个世纪的传统微电子技术发展有所放缓，传统意义上的摩尔定律逐步失效，并进入了后摩尔时代[3， 4]。
本章*先阐述微系统的基本概念、技术内涵、分类特点以及发展前景等，分析微系统技术发展中存在的问题及其对应的解决思路。其次，分析微系统在代表性领域的应用现状，具体包括航空航天、军事装备、医疗健康、汽车电子、消费电子和物联网等。*后，重点阐述微系统和导航、制导与控制技术的基本关系，着重分析其基本特征、发展现状以及发展前景等。
1.1.1 微系统概念的提出
在市场需求和技术创新的双重驱动下，摩尔定律逐渐演化成超越摩尔定律（beyond Moore’s law）。该定律主要表现为两个维度：一是深化摩尔定律（more Moore’s law），即特征尺寸继续缩小并从平面向立体化推进，IC芯片将发展成为系统级芯片（也称片上系统，system on chip，SoC）；二是超越摩尔定律（more than Moore’s law），即微电子与其他领域相结合产生新的技术门类—微系统技术[5， 6]。超越摩尔定律的发展与微系统技术基本关系如图1.1所示。
图1.1 超越摩尔定律的发展与微系统技术
微系统是微电子、微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）、光电子等技术的有机结合，具有微型化与系统化的特征。通过先进集成手段，微系统实现微型化，并在系统层次上产生新功能，从而显著提高了系统功能密度。国际上对微系统的定义还存在差异。美国将微系统称为MEMS，*早于1986年由美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在内部报告中提出[7]，报告认为，微系统是赋予未来能力的一项综合系统技术集成，并提出“两个一百倍”目标，即“效能提高一百倍、体积功耗降低到百分之一”，以“百倍提升”的跨度大力发展微系统技术[8]；欧洲对微系统的定义比较概括，即两类以上技术的微集成；日本将其称为微机器，即采用类似集成电路技术制造的微器件。无论如何定义，以微米级或纳米级主要特征尺寸为特点的微系统概念，在世界范围获得了广泛认可，成为当今技术发展的主要方向[9-11]。在此背景下，美国国防部提出了集成微系统（integrated microsystems，IMS）[12]这一新概念，其核心理念是基于微电子和微纳科学技术，以支持“功能倍增”为基本原则，以赋予“未来能力”为追求目标，围绕材料和物理等层面，着重从微观角度出发，集成多种先进技术，实现架构、器件和算法的深度融合与异构集成，以期实现宏观上的功能突破。围绕该目标，美国DARPA下设的微系统技术办公室（Microsystems Technology Office，MTO）先后组织实施了上百项与微系统技术密切关联的研究开发计划，所涉及的项目全面覆盖了电子元器件和集成电路发展的前沿领域，其发展目标如图1.2所示。
图1.2 美国MTO提出“两个一百倍”发展目标
微系统概念的提出，给许多领域的科技发展注入了新活力。目前，微系统技术正向多功能一体化、三维堆叠、混合异构集成、智能传感等方向发展，微系统产品也正从芯片级、部件级转向复杂程度更高的系统级应用，既可作为单*系统，也可作为一个宏观系统的具备*立功能的子系统[13]，被广泛应用于军民领域。尤其在航空航天和军事装备领域，将有更多的基于微系统技术的武器系统，给未来战场的作战模式带来颠覆性变革，并将对武器装备系统的创新发展产生重要影响[14-17]。
1.1.2 微系统技术的内涵
微系统主要是指以微电子、微机电和微光电等技术为基础[18-20]，采用微纳制造及微集成工艺，通过系统构架和软件算法，由微传感器、微控制器、微执行器、微通信、微能源及接口电路等构成的软硬件一体化多功能集成系统[21， 22]。微系统融合了机械、电学、热学、材料学、光学、微机电等多种学科[23]，与目前的SoC、系统级封装（system in package，SiP）及多种三维集成的功能模块相比，微系统具有更高的集成水平和更丰富的功能[24]。
一般而言，微系统由微感知、微处理和微执行等部分组成。微感知是指借助微传感器，对力、热、声、光、电、磁等物理参数集中进行数据采集、传输和处理，包括但不限于环境温度/湿度、光照强度、表面压力、
