微機(jī)械元件和儀器發(fā)展論文

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摘要微機(jī)械元件和微機(jī)械儀器，適于大批量生產(chǎn)，具有成本低廉、性能優(yōu)良和體積微小及集成度高的特點(diǎn)，近十年來，研制、開發(fā)及市場擴(kuò)大方面取得了巨大的進(jìn)展，展現(xiàn)了美好的前景。

一、前言

微電子技術(shù)的發(fā)展，為通訊、信息處理和生產(chǎn)、生活及辦公自動化等領(lǐng)域帶來了巨大的進(jìn)步，使人類的生活方式、思維方式和社會的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，將人類帶入了信息時代。

在電子技術(shù)深入發(fā)展的同時，一項新的技術(shù)棗微機(jī)械技術(shù)悄然的誕生。微機(jī)械發(fā)展迅速，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。許多科學(xué)家堅信，它將成為繼微電子技術(shù)之后又一項推動社會迅速進(jìn)步的革命性技術(shù)。

微機(jī)械的全稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)，是以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的一項新技術(shù)。早在六十年代，微機(jī)械技術(shù)的概念就開始萌芽，一些富有創(chuàng)見的科學(xué)家開始探索用硅的微加工方法，制作傳感器、執(zhí)行器和控制器，并設(shè)想將它們集成在微小的幾何空間，從而形成高度自動化、智能化、可以大批量生產(chǎn)、價格低廉的微電子機(jī)械系統(tǒng)。八十年代末，微機(jī)械壓力傳感器等技術(shù)的成熟并市場化，IC工藝制作的靜電微電機(jī)的研制成功，標(biāo)志著微機(jī)械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成了一門獨(dú)立的新興學(xué)科。在科學(xué)家們的推動下，微機(jī)械技術(shù)受到了美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的重視，投入了大量的人力物力，十余年間，微機(jī)械技術(shù)取得了眾多新成果，微機(jī)械技術(shù)透浸到眾多領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，展現(xiàn)了美好的前景。

二、微機(jī)械元件

微機(jī)械元件既可以作為獨(dú)立的器件，應(yīng)用于宏觀的機(jī)電系統(tǒng)中，又可以作為微機(jī)械集成系統(tǒng)的單元，是微機(jī)械迄今為止研究和開發(fā)的主要內(nèi)容。

微機(jī)械的研究主要集中在硅基器件上，這與硅的良好的機(jī)械性能和與IC工藝的兼容性有關(guān)。早期研制成功并商品化的器件是結(jié)構(gòu)簡單的傳感器棗硅壓力傳感器，這種傳感器性能優(yōu)良，成本低廉，市場增長十分迅速，95年產(chǎn)量為5千萬件，預(yù)計2005年產(chǎn)量將達(dá)1億2千萬件[1]。1995年全球傳感器市場為60億美元，其中約4分之1為微機(jī)械傳感器，微機(jī)械傳感器從起步至今僅十余年歷程，發(fā)展如此迅速，表現(xiàn)出微機(jī)械技術(shù)的強(qiáng)大的生命力。

微機(jī)械傳感器市場潛力仍非常大，不僅可以進(jìn)一步替代傳統(tǒng)傳感器，由于其價格低廉，必將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而開辟更廣闊的新興市場。國際上許多著名的公司如，Rosemout、AnalogDevices和Motorola均有積極的微機(jī)械傳感器市場發(fā)展計劃。

（一）微機(jī)械元件應(yīng)用

微機(jī)械器件的優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)時成本低廉，產(chǎn)品的性能-價格比明顯優(yōu)于傳統(tǒng)器件。目前具有廣闊市場的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1、多功能絕對壓力傳感器

石油危機(jī)和人們對環(huán)境保護(hù)的要求，使汽車制造商必須改進(jìn)油料燃燒的經(jīng)濟(jì)性，提高汽車單位重量油料的行程，改善汽車尾氣質(zhì)量。基本的方法是嚴(yán)格控制燃料與空氣的比例。這種控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件為多功能絕對壓力傳感器。1995年這種傳感器產(chǎn)量為二千五百萬件。

2、醫(yī)用壓力傳感器

在使用微機(jī)械傳感器以前，測量血壓用的是可靠性較低的普通壓力傳感器。這些傳感器在使用前須穩(wěn)定化和標(biāo)定，測血壓的費(fèi)用較高。

汽車用多功能硅壓力傳感器研制成功，激勵人們成功地開發(fā)出醫(yī)用壓力傳感器，這種醫(yī)用傳感器使用前不需標(biāo)定和穩(wěn)定化，使用費(fèi)用很低，在嚴(yán)重的疾病的診斷和治療棗如心臟手術(shù)等醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用，1995年產(chǎn)量為一千八百萬件[2，3]。

3、加速度傳感器

九十年代初，硅加速度傳感器已由實(shí)驗研究轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用于汽車車禍傳感和剎車及安全汽囊釋放控制系統(tǒng)。95年年產(chǎn)量逾五百萬件[4]。在過去的二十中，雖然美國由于汽車數(shù)量增加車禍的數(shù)量增加了75%，而車禍死亡率卻減少了50%。這與微機(jī)械加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用有很大的關(guān)系。

二、市場預(yù)測

十年前，微機(jī)械器件僅有硅壓力傳感器具有較大市場應(yīng)用，而如今，加速度傳感器已在幾年的時間中產(chǎn)量由20萬件增加到近2千萬件，而許多其它微機(jī)械器件也逐步商業(yè)化，市場價值達(dá)數(shù)十億美元。現(xiàn)在，非傳感器類微機(jī)械器件的市場還非常小，但有理由預(yù)測，在今后十年，非傳感器類微機(jī)械器件將會有明顯增長。

近期有較好市場前景的微機(jī)械器件有：

1、壓力傳感器

微機(jī)械硅基壓力傳感器將進(jìn)一步增長，應(yīng)用于汽車和智能化網(wǎng)絡(luò)輸出等方面[5]。汽車傳感器的應(yīng)用包括：燃油汽化、高壓噴油、發(fā)動機(jī)的多功能壓力傳感器、電子剎車等。

2、慣性傳感器

慣性傳感器發(fā)展十分迅速，包括加速度計、轉(zhuǎn)速計和陀螺儀等，主要應(yīng)用于汽車穩(wěn)定性控制和駕駛控制及虛擬現(xiàn)實(shí)控制器等方面，以汽車安全氣囊釋放為目標(biāo)的加速度傳感器已經(jīng)開發(fā)成功，尺寸僅為3mm×3mm，量程為5g，預(yù)計價格為每件15美元[6]。

慣性傳感器可作為智能慣性導(dǎo)航的核心器件，應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和航天器件的駕駛和控制，

3、流體控制器

流體器件，如壓力閥，將逐步商品化并有較快的增長。但目前微機(jī)械流體器件由于操作溫度范圍較窄，壓力和流量控制范圍較小，與流體的相容性有限，還不能很好滿足傳統(tǒng)商業(yè)領(lǐng)域的需要[7]。

4、數(shù)據(jù)存貯

復(fù)雜軟件和影相技術(shù)對大量信息存貯的需求，促進(jìn)了高密度存貯技術(shù)的研究，多項高密度存貯技術(shù)正在開發(fā)之中，在微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，有良好商業(yè)前景的存貯技術(shù)的研究包括：

（1）用芯片上的伺服電機(jī)驅(qū)動硬盤磁頭，可以實(shí)現(xiàn)0.1μm精密定位，存貯密度可達(dá)100GB/in2[7]。

（2）IBM開發(fā)了一種塑性存貯盤讀寫技術(shù)，用微機(jī)械技術(shù)制作“筆尖”，在“寫”時，在塑性盤上形成凹坑，而讀時，與早期的唱片機(jī)讀的方法一樣。用該方法，已實(shí)現(xiàn)存貯密度達(dá)20GB/in2[8]。

5、顯示器芯片

德州儀器開發(fā)微轉(zhuǎn)鏡顯示芯片技術(shù)已愈十五年，現(xiàn)在已經(jīng)開始少量生產(chǎn)種芯片[9]。還有其它硅谷公司也在開發(fā)該項技術(shù)。微機(jī)械顯示芯片將最終實(shí)現(xiàn)市場化，可望在巨大的顯示器市場占有一定份額。

6、微機(jī)械通訊器件

正在開發(fā)中的光纖微機(jī)械反射調(diào)制器，有希望實(shí)現(xiàn)居民實(shí)時影相通訊，有希望得到迅速發(fā)展[10]。

7、CMOS熱電堆傳感器

用氧化物/氮化物支撐的n型多晶硅/p型多晶硅紅外傳感和電功率傳感元件可以用CMOSIC工藝制作，絕熱是通過在CMOS熱氧化物下面的體硅腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)的。硅的氧化物和氮化物對8至14微米的波長敏感，可用來監(jiān)測房間的異常侵入。溫升（幾mK）用熱電堆來檢測[11]。預(yù)計該元件在民用、工業(yè)和軍事上都有廣闊的應(yīng)用前景。

8、CMOS熱壓力傳感器

利用壓力對空氣熱傳導(dǎo)性能有影響，可以制成測量氣體壓力的CMOS壓力傳感器。目前研制的器件，可用來測量102至106Pa空氣壓力[12]。

9、CMOS熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)（HVAC）多功能傳感器

熱、通風(fēng)和空氣的調(diào)節(jié)須測試溫度、氣流和空氣的濕度。將熱電堆、熱壓力傳感和測量濕度的指狀電容利用CMOS技術(shù)集成一體，便構(gòu)成了HVAC傳感器[13]。這種傳感器將在人類高質(zhì)量生活環(huán)境的控制中發(fā)揮重要作用

四、微機(jī)械儀器

由于微機(jī)械技術(shù)能夠以較低成本制造出尺寸微小的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且可以將傳感器、執(zhí)行器、控制器集成了一體，因此在測試儀器等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性。

1、微機(jī)械電泳儀

在細(xì)長的毛細(xì)管兩端加上直流電壓，管中注入離子導(dǎo)電液體，將發(fā)生電泳運(yùn)動，將分析的樣品注入毛細(xì)管一端，不同分子量的集團(tuán)將以不同速度運(yùn)動，從而形成按分子質(zhì)量的分布排列，在毛細(xì)管的側(cè)面用放射線或熒光可以測定試樣的組成。如某一組DNA的組成。

用微機(jī)械方法制作的電泳儀比傳統(tǒng)電泳儀有很大優(yōu)越性，不僅價格低，而尺寸小，僅為傳統(tǒng)電泳儀尺寸的10分之一，速度快也提高10倍，而且測試結(jié)果更加準(zhǔn)確[14]。

2、微機(jī)械質(zhì)譜儀

電泳儀可用來分析試樣的分子組成，而質(zhì)譜儀是用來分析試樣的原子組成的。在質(zhì)譜儀中，首先將試樣氣化，然而在真空中電離，再用電場使離子高速運(yùn)動，并在磁場中將不同質(zhì)量的離子分離到不同的運(yùn)動軌道，同探測器檢測，即可分析原子組成。用微機(jī)械方法制作這種質(zhì)譜儀正在開發(fā)之中，預(yù)計可以將尺寸縮成掌上型大小[15]。

3、微機(jī)械細(xì)胞計

通過將細(xì)胞懸浮在液體中，注入裝有透明液體的試管。注入時，細(xì)胞懸浮液在試管透明液中形成很細(xì)的一條液柱，液柱非常細(xì)，可以從試管側(cè)面測定單個細(xì)胞的形狀、尺寸、光學(xué)特性，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)研究。這對醫(yī)學(xué)研究非常有益。現(xiàn)在這種儀器十分昂貴，而用微機(jī)械方法制作細(xì)胞儀的中的微結(jié)構(gòu)十分便利的，微機(jī)械細(xì)胞計將能用來確定含量僅0.1%的血細(xì)胞[16]。

4、微機(jī)械染色體鏈成反應(yīng)儀

現(xiàn)有技術(shù)尚無法測量數(shù)量非常少的DNA的結(jié)構(gòu)，只能通過復(fù)制DNA的染色體，使數(shù)量增多之后才能測定。利用加熱時DNA雙螺旋蛋白質(zhì)分子的融解，分解成兩條單鏈，冷卻時，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)試劑中，試劑分子與每一單鏈相互組合，形成兩條雙鏈DNA。重復(fù)上述過程，將使DNA分子大量增殖[17]。

用微機(jī)械方法制作的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)儀，可以在幾分鐘內(nèi)完成DNA的樣品復(fù)制，比傳統(tǒng)儀器快5至10倍，而且，可以節(jié)約價格昂貴的反應(yīng)試劑。隨著醫(yī)療對DNA測試需求增加，成本低、性能優(yōu)良的微機(jī)械鏈?zhǔn)椒磻?yīng)儀將會有較大市場。

5、微機(jī)械重金屬探測儀

用微機(jī)械方法可以制成陽極溶解式重金屬探測儀，利用重金屬特征電位和電離電量來檢測樣品中重金屬含量，微機(jī)械方法可以制作出尺寸較小的便攜式重金屬探測儀，可以在現(xiàn)場監(jiān)測重金屬污染[18]。

6、微機(jī)械血液測試儀

以微機(jī)械生物化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的血液手持型測試儀，可以快速測試血液中的CO2、K+、Na+、C1-、葡萄糖、尿素、pH值等多種指標(biāo)[19]。這種血液分析儀的開發(fā)成功預(yù)示著化學(xué)分析儀進(jìn)入一個嶄新天地。

五、結(jié)論

短短的十余年時間，微機(jī)械從誕生至今，從原理研究，器件開發(fā)到儀器研制，已經(jīng)積累了眾多成果，形成了一個對人類社會眾多領(lǐng)域都將發(fā)生重大影響的豐富多彩的新學(xué)科。目前在微機(jī)械傳感器表現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力，在傳感器市場占有已達(dá)1/4以上，并且開拓出汽車安全汽囊釋放控制系統(tǒng)等高經(jīng)濟(jì)附加值，高社會價值的新型產(chǎn)品，而在微機(jī)械陀螺儀、生物和化學(xué)傳感器等方面的研究成果，表明微機(jī)械在眾多領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價值，將對人類社會生活帶來巨大的進(jìn)步。

微機(jī)械儀器的開發(fā)和研究成果表明，人類已經(jīng)有能力開發(fā)出品種眾多、成本低廉的便攜式或掌上型儀器，測試速度快，測試結(jié)果更加精密，這將使越來越多的人得到高質(zhì)量的醫(yī)療、保健，更多的人有條件從事高層次的科學(xué)研究。

與微型計算機(jī)相似，微機(jī)械器件的優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)帶來的價格優(yōu)勢，因此，現(xiàn)在取得商業(yè)成功的主要是那些有巨大市場的項目，如力學(xué)傳感器，但隨著各種模塊式器件開發(fā)，可以期望組合成種類眾多的儀器和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)械產(chǎn)品的多樣化。

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NewProgressofMEMSComponentandInstrument

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AbstractMEMScomponentandInstrumentaresuitableforbatchmanufactureandhavetheadvantageoflowprice,highreliability,smallervolumeandlarge-scaleintegration.Inthisdecadeagreatprogresshasbeenmadeintheresearch,developmentandmarketingofthisfield,whichsuggestsabrightfuture.