在微机电系统的广阔领域中，光闸作为一种关键的MEMS器件，正以其独特的设计和功能在太空探索中发挥着越来越重要的作用与巨大潜力。从NASA Goddard空间飞行中心与Johns Hopkins大学应用物理实验室联合推出的ST-5宇宙飞船，到备受瞩目的James Webb太空望远镜（JWST），MEMS光闸都展现出了其卓越的性能和稳定性，成为了这些尖端科技项目中不可或缺的一部分。本文将一一介绍MEMS光闸的设计原理、制造挑战、封装技术及其在太空应用中的实际表现，揭示MEMS光闸的奥秘。
希望常见面的话，点击上方即刻关注，设为星标！
一、MEMS光闸的基本原理与应用
MEMS光闸作为一种微型的光学开关，通过精确控制光线的通断，实现了对光学系统性能的灵活调节。在ST-5宇宙飞船中，MEMS光闸被用于可变发射涂层仪器，通过打开或关闭金覆盖的光闸，改变辐射器的表观发射率，从而实现对飞船热控系统的精确管理。这一设计不仅提高了飞船的能源效率，还显著增强了其在复杂太空环境中的生存能力。
而在James Webb太空望远镜中，MEMS光闸的应用则更加复杂和精细。它们被用于红外光谱仪中，通过精确控制光闸的开关状态，实现对不同天空区域的曝光和遮挡，从而实现对多个目标的同时光谱分析。这一技术的引入，极大地提高了望远镜的观测效率和科学数据的质量。
辐射器组装的分解视图
二、MEMS光闸的设计与制造难点
MEMS光闸的设计与制造过程充满了挑战。首先，为了确保光闸在太空环境中的可靠性和稳定性，必须采用高精度、高可靠性的制造工艺。这包括微纳加工、精密装配和封装等关键环节。在ST-5宇宙飞船的MEMS封装体中，采用了新型封装技术来保护光闸部件免受微粒污染，并考虑了飞船电气表面接地的需求以及热工作的相关要求。
其次，MEMS光闸的尺寸和性能也是设计中的重要考量。在ST-5项目中，每个光闸芯片的大小仅为12.65×13.03mm²，由150μm长和6μm宽的光闸组成。这些微小的结构需要精确地覆盖在辐射器上，以实现对其表观发射率的精确控制。而在JWST项目中，光闸的尺寸更小，但数量更多，每个微光闸阵列包含171×365个光闸，且需要在低温下长时间稳定工作。
更多产品和服务可戳公司官网：https://www.si-era.com/
三、MEMS光闸的封装技术
封装是MEMS光闸制造过程中的关键环节之一。在ST-5项目中，采用了氮化铝中间层来解决Al和Si在生存温度范围内热膨胀系数的失配问题。同时，通过导线连接所有公共的输入口，并用导电环氧树脂将光闸芯片粘接在氮化铝衬底上，实现了光闸阵列的组装。这种封装方式不仅提高了光闸的可靠性，还确保了其在太空环境中的稳定性能。
而在JWST项目中，封装技术则更加复杂。由于光闸需要在低温下工作，并且需要具有长时间稳定开关的能力，因此采用了铟凸点焊盘将光闸阵列连接到衬底上。这种连接方式不仅具有优异的导电性能和低温稳定性，还能够在光闸裸片和母板之间建立大量的连接，从而实现对所有光闸的精确寻址和控制。
安放在一个象限仪上的8JWST 光闸阵列(NASA)
四、MEMS光闸在太空应用中的表现
在太空应用中，MEMS光闸展现出了卓越的性能和稳定性。在ST-5宇宙飞船中，MEMS光闸成功地完成了长达3个月的工作使命，为飞船的热控系统提供了精确的调节和稳定的性能支持。而在JWST项目中，MEMS光闸更是以其高精度、高可靠性和低温稳定性，成为了红外光谱仪中的核心部件之一。通过精确控制光闸的开关状态，JWST实现了对多个目标的同时光谱分析，为天文学研究提供了前所未有的科学数据。
五、MEMS光闸的未来研究
尽管MEMS光闸在太空应用中已经取得了显著的成果和进展，但仍面临着一些挑战和限制。例如，在极端太空环境下，如何进一步提高光闸的可靠性和稳定性；如何优化光闸的设计和制造工艺，以降低成本并提高生产效率；以及如何拓展光闸的应用领域，以满足更多太空探索任务的需求等。
为了应对这些挑战，未来的研究将更加注重跨学科合作和技术创新。通过结合材料科学、微纳加工、电子工程和天文学等领域的最新成果和技术手段，不断探索和优化MEMS光闸的设计、制造和封装技术。同时，也将加强与国际同行的交流与合作，共同推动MEMS光闸在太空应用中的进一步发展。
点赞+在看
分享给小伙伴吧！↓
