{正版现货新书} 导航、制导与控制(GNC)微系统技术 9787030792037 王巍

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”式MEMS加速度计敏感结构设计 215

5.6.3 电容式MEMS加速度计开环检测系统 218

5.6.4 电容式MEMS加速度计闭环静电反馈系统 220

5.7 多轴MEMS惯性器件 223

5.7.1 单片三轴MEMS陀螺仪 223

5.7.2 单片三轴MEMS加速度计 229

5.7.3 单片六轴惯性测量单元技术 235

参考文献 242

第6章 GNC微系统信息融合与控制技术 245

6.1 概述 246

6.2 GNC微系统多传感器时空对准技术 246

6.2.1 空间对准技术与杆臂误差 247

6.2.2 时间对准技术与不同步误差 250

6.3 GNC微系统信息融合设计 252

6.3.1 总体设计 252

6.3.2 信息融合核心模块设计 252

6.3.3 信息融合优化设计 263

6.3.4 信息融合设计要点 268

6.4 GNC微系统控制设计 269

6.4.1 机载GNC微系统控制设计 269

6.4.2 星载GNC微系统控制设计 277

6.4.3 弹载GNC微系统控制设计 283

6.5 GNC微系统信息融合分析与验证 294

6.5.1 轨迹发生器设计 294

6.5.2 导航数据生成 297

6.5.3 信息融合仿真分析 300

6.5.4 信息融合实测验证 304

参考文献 308

第7章 GNC微系统误差分析与测试技术 311

7.1 概述 312

7.2 GNC微系统导航、制导与控制误差分析 313

7.2.1 GNC微系统导航误差 313

7.2.2 GNC微系统制导误差 315

7.2.3 GNC微系统控制误差 317

7.3 GNC微系统典型器件误差分析 318

7.3.1 GNSS导航模块误差 318

7.3.2 MEMS惯性器件误差 323

7.4 GNC微系统典型工艺误差分析 328

7.4.1 TSV结构 329

7.4.2 微凸点结构 336

7.5 GNC微系统的典型环境误差分析 337

7.5.1 GNC微系统热学环境误差 337

7.5.2 GNC微系统力学环境误差 343

7.5.3 GNC微系统电磁环境误差 346

7.6 GNC微系统测试技术 347

7.6.1 GNC微系统典型器件测试技术 348

7.6.2 GNC微系统三维集成测试技术 358

7.6.3 GNC微系统一体化测试技术 361

7.7 典型GNC微系统半实物仿真与实际测试 364

7.7.1 半实物仿真试验 366

7.7.2 跑车试验 368

7.7.3 机载飞行试验 373

参考文献 377

第8章 GNC微系统应用关键技术 381

8.1 概述 382

8.2 GNC微系统应用现状及需求分析 383

8.2.1 GNC微系统应用现状 383

8.2.2 GNC微系统需求分析 399

8.3 GNC微系统应用的总体架构设计 403

8.4 GNC微系统应用的关键技术 405

8.4.1 路径规划应用技术 405

8.4.2 数据链微传输技术 409

8.4.3 集群时敏协同技术 410

参考文献 411

第9章 GNC微系统技术发展趋势 415

9.1 GNC微系统发展面临的技术挑战 416

9.2 GNC微系统发展的技术基础 421

9.3 GNC微系统的未来发展趋势 423

9.3.1 国际半导体技术发展路线演变 424

9.3.2 我国未来GNC微系统技术发展趋势 425

参考文献 432

附录 435

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、磁感应强度、流体速度等。微处理是指在获取感知信息后，借助系统整体架构、功能模块和软件算法等，对数据进行在线处理和实时存储，并基于微时钟提供的时间基准进行多源信息融合解算，*后，通过微执行器形成相应的动作、能量、状态和信息控制指令，从而维持控制任务的流畅性和系统的鲁棒性。其中，微处理作为微系统核心组成部分融合了多种微纳加工技术，带动微感知、微存储、微时钟、微执行等模块高效协同，从而形成多环节闭环反馈机制，充分体现了微系统技术的发展要求。微系统的基本组成具体如图1.3所示。

图1.3 微系统基本组成示意图

总之，通过微电子、微机电和微光电等器件的深度嵌入，微系统技术可减小高性能器件的尺寸、重量和功率，将其应用转化于现代信息技术*新成果，可发展成为高科技前沿学科[25， 26]，*终，将显著提高信息系统的多功能化、智能化和可靠性水平。

1.1.3 微系统的主要分类

美国DARPA对微系统的定位是赋予未来能力，期望其在信息感知、处理、通信、执行和能源等方面实现微小型化、三维集成化的技术突破[27]。具体表现为，在芯片级微结构内，综合集成微电子器件（包括数字、模拟、混合信号集成）、MEMS器件等多种器件芯片，实现多种传感器互相补充的能力，完成复杂信息的传输、存储和处理，并通过网络和人机界面控制与指挥武器系统。微系统典型示意图如图1.4所示。

图1.4 微系统典型示意图

1.功能特点分类

可将微系统分为信息处理微系统、光电微系统、射频微系统、导航微系统、能源微系统等[28]。近期国内外研究主要集中在芯片级原子钟、三维电子器件、成像仪、全光学数据路由器、微波集成电路、微型气体传感器、大功率光学相控阵、大功率电子器件、全源导航、自适应微系统等[29]。

（1）信息处理微系统。

信息处理微系统是信息处理组件的二次集成系统，依托硅通孔（through silicon via，TSV）和3D微纳集成等技术，实现信息处理系统的软硬件高密度集成[28]，同时具备大容量存储能力、强计算能力、高并发数据吞吐能力、完善的用户软件开发环境。

（2）光电微系统。

光电微系统是采用微系统集成工艺，用于二次集成微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件、红外模组、信号处理等[19]，采用晶圆级真空封装、立体集成等技术，进一步降低现有光电系统的体积、重量和功耗，显著提升系统性能。

（3）射频微系统。

射频微系统是包括射频前端与数字后端的典型异质异构集成系统，在传统的数字后端设计中，通过先进工艺加工技术，在单颗芯片上集成了更多的晶体管，并根据扫描序列的要求发射多种翻转角的射频波，而射频的宽度和幅度由计算机和射频单元控制，具有更高的集成度和抗冲击性能[30]。

（4）导航微系统。

导航微系统通过基板对卫星导航、微惯性测量单元、气压高度计、存储器、时钟单元、电压基准单元以及部分无源器件等进行高密度集成，借助SoC、SiP和封装体堆叠（package on package，PoP）等技术进行系统级封装，形成完整的导航功能模块[31]。

（5）能源微系统。

能源微系统基于MEMS热/光/机/电等微型能量发电机技术，利用热-电、光-电、机械-电、电磁-电等多种能量转换方式，通过采集温度梯度和热流等微型能量，形成高密度集成的微系统，可用于微小型无人机、微纳卫星和制导导弹等领域。

2.集成工艺分类

集成工艺分类可分为单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）、多芯片模块（multi chip module，MCM）、MEMS、SoC、SiP等代表性发展方向[32， 33]。

（1）单片微波集成电路。

MMIC是指在半导体衬底上，采用一系列先进集成工艺技术，制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波（甚至毫米波）频段的功能电路。用硅材料制作的微波电路工作于300～3000GHz频段，被视为硅线性集成电路的扩展，不包括在单片微波集成电路之内。当前，MMIC技术正向着宽禁带半导体快速升级、单片高功率、多功能芯片一体化等方向发展。

（2）多芯片模块。

MCM综合了高密度互连、表面贴装技术（surface mounted technology，SMT）、TSV、微封装等多种技术，将电子组件（如具有多个导电端子或封装“销”）、集成电路（IC或“芯片”）、半导体管芯和其他分立元件集成在统一的基板上，在使用时可将其视为较大的IC，是系统化、小型化的重要途径。

（3）MEMS。

MEMS是集微型结构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的提升，MEMS将向高密度集成化、多功能轻量化、高性能低功耗、单芯片集成化等片上系统方向发展。

（4）SoC。

SoC是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行自适应分组的技术。所谓“完整的系统”一般包括中央处理器（central processing unit，CPU）、存储器以及外围电路等。SoC可与其他技术并行发展，如绝缘硅技术、深亚微米技术、低噪声设计技术以及多通道可重构阵列信号处理技术等。

（5）SiP。

SiP是将多种异构芯片、无源器件等，采用二维或三维形式集成在一个封装体内，通过多次的薄膜淀积、光刻、扩散注入、刻蚀等工艺操作，将一个系统或子系统的全部或大部分电子功能配置在高密度基板内。其芯片可以2D、2.5D或3D的方式接合到整合型基板的封装，

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。