加快推进微系统技术在军事领域的应用
微系统具有微型化、成本低、性能高等显著优势，具备微感知、微处理、微控制、微传输、微对抗等功能，已广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。微系统技术具有鲜明的军民一体化应用属性，作为一项多学科交叉的新兴高新技术，其关键技术的重大突破为军事应用提供强有力的支撑，引发武器装备领域的重大变革，在武器平台、微小无人装备、军用雷达和卫星等方面有着广泛的应用前景。
一、微系统关键技术的重大突破为军事领域应用提供有力支撑
微系统技术是以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造及工艺为基础，融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术，通过功能模块集成，实现单一或多类用途的综合性前沿技术，被公认为21世纪的颠覆性技术之一。微系统是采用系统设计的思想和方法，将传感、通信、处理、执行和微能源等五大功能单元，通过以微纳制造及工艺为基础的系统级封装集成在一起的多功能微装置，具有微型化、成本低、高灵敏度、低噪声等优点，已广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。微系统技术上的新材料、新方法、新工艺等技术变革必将对军民两用的系统研发和制造带来颠覆性影响。
20世纪90年代以来，微系统技术发展突飞猛进，成功例子有美国模拟器件公司生产的集成惯性传感器和德州仪器公司研发的数字光处理芯片。由于微系统采用批量生产，大大降低了传感器的使用成本。近年来，光微系统技术发展迅速，世界各国的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器、相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。微系统集成方法与工艺取得重大突破，微电子器件特征尺寸继续减小，微处理器、微射频器等性能进一步提升，碳化硅与氮化镓等第三代半导体材料器件进入应用阶段。
微系统对传感器的可靠性要求越来越高，同时要求传感器有很高的准确性、敏感性、选择性、寿命和与长时间工作漂移有关的稳定性。近年来，美国国防部高级研究计划局开始研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统部件，以降低武器系统对GPS系统的依赖。新器件比传统惯性器件尺寸更小、重量更轻、功耗更低，工作功率不超过几十毫瓦。微传感器的研究重点，是微处理器控制的传感器阵列信号的数字化处理。
微处理器向着小线宽、低功耗和智能化方向发展。2011年三栅晶体管结构微处理器实现量产，标志着晶体管结构从平面到立体的根本性转变，性能提升37%，功耗降低一半。美国启动下一代空间微处理器项目，目标是发展24个支持32位计算的处理器内核，支持100亿次/秒浮点运算，功率不超过7瓦，具有4～8个第三代或第四代双倍速率同步存储器端口。
微电子器件特征尺寸不断缩小。2014年，美国、日本展示了采用14纳米工艺实现的微处理器和现场可编程门阵列产品以及15纳米工艺实现的闪存；韩国三星公司14纳米三栅极FinFET芯片工厂开始批量生产，将处理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面积减少15%。目前7纳米芯片已经研制成功，借助7纳米工艺，微处理器件在进一步提高性能的同时，大大降低了功耗和成本。
微集成技术由平面集成向三维集成发展，由芯片级向集成度和复杂度更高的系统级发展。微集成技术的重大突破带动具备传感、处理、控制等多种功能的微系统快速发展，实现能耗和体积数十至数百倍的降低。三维集成电路和多方式异构集成等三维集成技术研究日趋成熟，多个低功率、小信号、同质微电子器件的三维集成成为标准工艺；微/光电子、微机电系统等多种器件间的集成取得显著进展。美军的“电子-光子混杂集成”计划，目标是将高速电子与芯片级的光子微系统集成到一个微型硅芯片上。
微射频集成芯片实现重大突破，研制出二维光学相控阵列等新型光电集成器件。美国国防部高级研究计划局启动了高效线性全硅发射机集成电路项目，研制出世界上第一个可以工作在94吉赫的全硅单片集成信号发射机系统级芯片，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指甲盖大小的硅芯片上，大幅提升硅基射频器件输出功率，实现了硅数字信号器件和射频器件的单片集成，使全硅系统级芯片首次达到毫米波范围，新一代军用射频通信系统体积更小、重量更轻、成本更低、功能更强。
二、微系统技术应用将引发武器装备领域的重大变革
目前微系统技术处于大规模应用转化阶段，由微器件技术制造的芯片已应用于诸多军事领域。微系统技术将多种先进技术高度融合，将各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体，推动武器装备向微小型化和智能化方向发展，提高武器系统的机动性和隐蔽性，降低尺寸、重量与成本。
用微小型无人装备对付传统武器，将导致未来战场出现“尺度不均衡战争”，将对武器装备发展与未来作战样式产生深远影响。采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪，价格降低98%；采用微系统技术研制的芯片级原子钟，比传统原子钟体积可缩小至百分之一。由美国国防部高级研究计划局主持、霍尼韦尔公司研制的“T-鹰”微型无人机已在阿富汗和叙利亚战场上得到了实战检验，质量仅为9千克，可飞行50分钟。
当前，部分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。微系统迎合了未来武器装备信息平台芯片化发展的需求，其前景日益受到世界各国的高度重视。美国国防部高级研究计划局把微系统技术确认为美国急需发展的新兴技术，下属的微系统技术办公室提出了2个“100倍”目标，即探测能力、带宽、速度比目前的电子系统提高100倍以上，结构进一步微型化和低功耗化，体积、重量和功耗比目前的电子系统下降至100%～1000%。自1992年以来，微系统技术办公室先后组织实施了先进微系统技术、电子和光子集成电路、光纤激光器、微机电系统、微型同位素电源等数十项研究计划，覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域，如宽禁带半导体技术、焦点中心、自适应焦平面阵列等，对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资，大力发展小型惯性测量装置、微全分析系统、RF传感器、网络传感器、无人值守传感器等项目，应用于单兵携带、战场监测、武器安全、弹道修正、超低功率无线通信信号处理、目标识别系统等方面。
三、微系统技术在军事领域的应用前景
（一）在武器平台上的应用
微惯性测量装置具有体积小、成本低、质量轻、抗振动、抗冲击能力强和集成化程度高等优点，适用于各类武器平台的制导系统、姿态控制系统等，对于小型飞行器导航、制导与控制领域的发展也具有巨大的推动作用。美、俄等军事强国研制的部分微型惯性测量装置已达到战术级精度，开始大量应用于制导武器。在导弹武器系统中采用系统级封装或片上系统技术实现了功能整合，信息传输长度大大缩减，延迟显著降低，对付高速高机动目标具有重要的意义。这些采用微系统技术的小型化武器都能实施机动、精确打击，并能缩小杀伤范围，降低战场附带损伤。
微处理器是微系统技术在导弹中的一个重要应用，高性能微处理器的应用使其制导能力得到进一步提升。应用微系统技术的引爆装置比传统装置小一个数量级，可安装在6.25英寸的鱼雷上，这是其他技术无法实现的。微系统加速度计能承受火炮发射时产生的近10.5个重力的冲击力，为制导导弹提供一种经济实用的制导系统，使其可靠性、性能及运行时间提高5～l0倍，哑弹数量至少减少一个数量级。微惯性传感器用于灵巧弹头和钻地弹头中，可以使弹头钻入地下后仍能进行制导、控制并成功引爆。
采用微传感器和致动器可实现对流体的准确控制，例如对喷气引擎的紊流控制。长期以来，紊流在航空航天领域一直是个老大难问题，发动机中的紊流降低了轴流速度，减小了推力，机翼上的紊流导致飞行拖滞。应用微系统技术，在微观尺度上对流体进行控制成为可能。其原理就是在特征面上布置微传感器阵列，探测流体压力和温度的细小变化，然后通过控制器使微致动器阵列准确对消这些细小变化。微系统技术还使智能可重构外形的机翼和空间柔性结构成为可能。
（二）在微小无人装备中的应用
微系统技术的重大突破促进了微小无人装备的迅速发展。微小无人装备是20世纪90年代美国开始发展的新概念武器，包括微小型机器人、弹药、飞行器等，特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争。微小无人装备无法携带过多的载荷，但如果通过网络将大量微小无人装备按照不同需求整合起来，就可执行多种任务。例如，可以构建一类战区专用网络来解决微小无人装备的“智慧”和“能量”问题，每个无人装备单元的路径规划、导航与制导、协同攻击等复杂的分析、计算、决策和控制任务由专网完成，还可以从专网中补充能量。
美国国防部高级研究计划局从2009年就启动了混合昆虫微机电计划，发展可以控制昆虫运动的技术。美国洛克希德·马丁公司推出“矢量鹰”多任务微型无人机，起飞总重只有1.8千克，纵向剖面10厘米，拥有一流的载荷、速度和航时能力，可以在战场上根据各种任务重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和倾转旋翼型。由于具有开放式体系结构、可重构的型式、自适应数据链以及载荷可扩展等特性，“矢量鹰”微型无人机具备广泛的使用范围和较强的适应能力。
微型机器人是基于微系统技术、代替人完成任务的光机电一体化系统，尺寸一般很小，可自主、半自主或人工遥控工作，在微空间进行可控操作或采集信息，最突出的优点是能执行常人无法完成的任务，而且可批量、廉价制造。通过网络将大量微小无人装备按照不同需求整合起来，可以执行多样化任务。每个无人装备单元的路径规划、导航与制导、协同攻击等复杂的分析、计算、决策和控制任务由专网完成，还可以从专网中补充能量。
美国研制的一种可探测核生化战剂的微型机器人，只有几毫米大小。美国哈佛大学的一个研究小组开发出了一款名为Kilobot的机器人，直径约2.5厘米，能够与其他同种类型的机器人共同协作完成任务。该机器人系统是一个由1024个Kilobot机器人组成的“团队”，可以依靠自身振动来移动，并能与附近的Kilobot机器人交流。美国陆军研究实验室正在研发的可应用于实战的微型机器人，可以执行隐蔽监听和监视可疑敌对目标的任务。美国陆军研究实验室目前正在开发和测试毫米级的机器人腿形结构，包括压电薄膜制动器和铜薄膜分段结构，通过模拟腿部动力学使其具备移动、提升和抗冲击能力。
智能尘埃是一种微型机器人，由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件组成。将这种智能尘埃散放在一定范围内，能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已缩小到了沙粒般大小，但它包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能尘埃可以悬浮在空中几个小时，向作战人员提供实时或近实时的战场信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息，以及由其他传感器输入的信息相互关联，提供诸如开火、甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。
微型飞行器是一种新概念武器，其姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通信系统等，都需要微系统技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器具有导航和通信能力，可以用于侦察成像、电磁干扰等，具有价格低廉、便于携带、操作简单、安全性好等优点。它可以配备到每一个士兵，不仅可用于侦察，还可用来加强人员之间的联系和信息共享。目前正在研究的微型飞行器主要有固定翼式、扑翼式和旋翼式三种。今后这种飞行器的尺寸将会进一步缩小成像“苍蝇”一样大小，即使飞入房间、停在墙上，也不会引起人们的注意。
无人机、无人战车、无人舰艇、无人航天器、军用机器人和智能单兵系统等装备将成为智能化作战的主要力量，“智能感知+自适应调整+边缘计算”将成为无人系统进行信息处理的主要模式。作战装备及作战样式的升级将对微系统提出更高的要求，“效率更高、功能更多、稳定性及环境适应性更强、功耗及成本更低”的微系统将成为未来军事应用的主流。
（三）在军用雷达中的应用
微系统技术在提高军用雷达性能的同时，大幅缩小重量和体积。现代军事电子信息系统正朝着综合化、大容量、多功能、超宽带的方向发展。同一作战平台上往往需要搭载多个子系统，如通信系统、侦察系统、定位系统、干扰系统等，这使得担负信息出入口功能的天线数量也大大增加，从而出现平台装载面减少、重量增加以及电磁兼容性等问题。电控可重构天线能够在不改变天线机械结构的情况下，通过电控手段改变关键参数，如工作频率、方向图、极化方式等，使一副天线具备多副天线的功能。随着微系统开关技术的成熟，可重构天线开始更多地采用射频微电子机械系统开关，这种开关具有低插入损耗、高隔离、线性、宽带、低功耗等特性，还能与单片微波集成电路集成。
（四）在军用卫星上的应用
微纳卫星通常指质量小于100 公斤、具有实际使用功能的卫星。它是基于微电子技术、微系统技术、微光电技术等技术发展起来的，体现了航天器微小化的发展趋势，具有功能密度与技术性能高、投资运营成本低、灵活性强、系统建设周期短、风险小等优点，成为各国军方极为重视的航天技术发展方向。由于微纳卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点，适合于战场环境的监视、侦察、目标定位、通信中继等。微纳卫星在建立以卫星为核心的C4ISR系统、提高战术武器的隐蔽性和突防能力等方面发挥重要作用。由微纳卫星构成“卫星攻防系统”，能有效防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络相互协同运行，当敌方反卫星武器进行攻击时，皮卫星可以为主卫星发送信息，使主卫星及时采取防范措施；可以诱惑或吸引敌方反卫星武器，保护主星，或对敌方反卫星武器进行拦截。
微系统技术是决定未来武器装备发展的关键技术，是保持军队技术优势、提升作战能力、维护国家安全的重要支撑。基于微系统技术制造的各类微型传感器、微型飞行器、微型机器人和微纳卫星，可以快速准确地收集和提供战场情报信息，还能使武器平台更灵敏、更准确，并且更具杀伤力。当前微系统技术正从平面集成到三维集成、从微机电/微光电到异质混合集成、从结构/电气一体化到多功能一体化集成等方向发展，并正与生物科学、量子技术、微纳前沿技术交织融合，相关产品也正从芯片级、组部件级向复杂程度更高的系统级发展。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。微系统技术的发展及其军事领域的广泛应用，将对武器系统小型化、智能化和轻量化产生颠覆性影响，在一定程度上将改变未来战争形态和作战样式。微系统技术的发展正聚集于前沿科技创新的重要领域，尤其在军事领域，未来也将有更多的武器系统基于微系统技术实现微小型化、高度集成化、智能化、轻量化。
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