微機(jī)械元件和儀器新進(jìn)展*
微機(jī)械元件和儀器新進(jìn)展*留意：本文已在《光學(xué)精密工程》(1999,7(1):10～15)雜志發(fā)表，使用者請(qǐng)注明文章出處大連理工大學(xué)機(jī)械系 邵培革 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所 王立鼎 摘要 微機(jī)械元件和微機(jī)械儀器，適于大批量生產(chǎn)，具有本錢(qián)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(lái)，研制、開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)擴(kuò)大方面取得了巨大的進(jìn)展，展現(xiàn)了美好的遠(yuǎn)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(dòng)化等領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的進(jìn)步，使人類(lèi)的生活方式、思維方式和社會(huì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，將人類(lèi)帶進(jìn)了信息時(shí)代。在電子技術(shù)深進(jìn)發(fā)展的同時(shí)，一項(xiàng)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)用遠(yuǎn)景。很多科學(xué)家堅(jiān)信，它將成為繼微電子技術(shù)之后又一項(xiàng)推動(dòng)社會(huì)迅速進(jìn)步的革命性技術(shù)。微機(jī)械的全稱(chēng)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(xiàng)新技術(shù)。早在六十年代，微機(jī)械技術(shù)的概念就開(kāi)始萌芽，一些富有創(chuàng)見(jiàn)的科學(xué)家開(kāi)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(dòng)化、智能化、可以大批量生產(chǎn)、價(jià)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(chǎng)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(mén)獨(dú)立的新興學(xué)科。在科學(xué)家們的推動(dòng)下，微機(jī)械技術(shù)受到了美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，投進(jìn)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(huì)效益，展現(xiàn)了美好的遠(yuǎn)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(kāi)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(jiǎn)單的傳感器棗硅壓力傳感器，這種傳感器性能優(yōu)良，本錢(qián)低廉，市場(chǎng)增長(zhǎng)十分迅速，95年產(chǎn)量為5千萬(wàn)件，預(yù)計(jì)2005年產(chǎn)量將達(dá)1億2千萬(wàn)件[1]。1995年全球傳感器市場(chǎng)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(chǎng)潛力仍非常大，不僅可以進(jìn)一步替換傳統(tǒng)傳感器，由于其價(jià)格低廉，必將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而開(kāi)辟更廣闊的新興市場(chǎng)。國(guó)際上很多著名的公司如，rosemout、analog devices和motorola均有積極的微機(jī)械傳感器市場(chǎng)發(fā)展計(jì)劃。（一）微機(jī)械元件應(yīng)用微機(jī)械器件的上風(fēng)在于大批量生產(chǎn)時(shí)本錢(qián)低廉，產(chǎn)品的性能- 價(jià)格比明顯優(yōu)于傳統(tǒng)器件。目前具有廣闊市場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、多功能盡對(duì)壓力傳感器石油危機(jī)和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，使汽車(chē)制造商必須改進(jìn)油料燃燒的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)步汽車(chē)單位重量油料的行程，改善汽車(chē)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)鍵元件為多功能盡對(duì)壓力傳感器。1995年這種傳感器產(chǎn)量為二千五百萬(wàn)件。2、醫(yī)用壓力傳感器在使用微機(jī)械傳感器以前，丈量血壓用的`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(cè)血壓的用度較高。汽車(chē)用多功能硅壓力傳感器研制成功，激勵(lì)人們成功地開(kāi)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，使用用度很低，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(wàn)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(yàn)研究轉(zhuǎn)進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)禍傳感和剎車(chē)及安全汽囊開(kāi)釋控制系統(tǒng)。95年年產(chǎn)量逾五百萬(wàn)件[4]。在過(guò)往的二十中，固然美國(guó)由于汽車(chē)數(shù)目增加車(chē)禍的數(shù)目增加了75%，而車(chē)禍死亡率卻減少了50%。這與微機(jī)械加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用有很大的關(guān)系。二、市場(chǎng)猜測(cè)十年前，微機(jī)械器件僅有硅壓力傳感用具有較大市場(chǎng)應(yīng)用，而如今，加速度傳感器已在幾年的時(shí)間中產(chǎn)量由20萬(wàn)件增加到近2千萬(wàn)件，而很多其它微機(jī)械器件也逐步貿(mào)易化，市場(chǎng)價(jià)值達(dá)數(shù)十億美元�，F(xiàn)在，非傳感器類(lèi)微機(jī)械器件的市場(chǎng)還非常小，但有理由猜測(cè)，在今后十年，非傳感器類(lèi)微機(jī)械器件將會(huì)有明顯增長(zhǎng)。近期有較好市場(chǎng)遠(yuǎn)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(zhǎng)，應(yīng)用于汽車(chē)和智能化網(wǎng)絡(luò)輸出等方面[5]。汽車(chē)傳感器的應(yīng)用包括：燃油汽化、高壓噴油、發(fā)動(dòng)機(jī)的多功能壓力傳感器、電子剎車(chē)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(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)和陀螺儀等，主要應(yīng)用于汽車(chē)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(chē)安全氣囊開(kāi)釋為目標(biāo)的加速度傳感器已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，尺寸僅為3mm×3mm，量程為5g，預(yù)計(jì)價(jià)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(chē)、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(zhǎng)。但目前微機(jī)械流體器件由于操縱溫度范圍較窄，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(mǎn)足傳統(tǒng)貿(mào)易領(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(duì)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(xiàng)高密度存貯技術(shù)正在開(kāi)發(fā)之中，在微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，有良好貿(mào)易遠(yuǎn)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(dòng)硬盤(pán)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(kāi)發(fā)了一種塑性存貯盤(pán)讀寫(xiě)技術(shù)，用微機(jī)械技術(shù)制作“筆尖”，在“寫(xiě)”時(shí)，在塑性盤(pán)上形成凹坑，而讀時(shí)，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(kāi)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(kāi)始少量生產(chǎn)種芯片[9]。還有其它硅谷公司也在開(kāi)發(fā)該項(xiàng)技術(shù)。微機(jī)械顯示芯片將終極實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，可看在巨大的顯示器市場(chǎng)占有一定份額。6、微機(jī)械通訊器件正在開(kāi)發(fā)中的光纖微機(jī)械反射調(diào)制器，有�？磳�(shí)現(xiàn)居民實(shí)時(shí)影相通訊，有�？吹玫窖杆侔l(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cmos ic工藝制作，盡熱是通過(guò)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(duì)8至14微米的波長(zhǎng)敏感，可用來(lái)監(jiān)測(cè)房間的異常侵進(jìn)。溫升（幾mk）用熱電堆來(lái)檢測(cè)[11]。預(yù)計(jì)該元件在民用、產(chǎn)業(yè)和軍事上都有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。8、cmos熱壓力傳感器利用壓力對(duì)空氣熱傳導(dǎo)性能有影響，可以制成丈量氣體壓力的cmos 壓力傳感器。目前研制的器件，可用來(lái)丈量102至106pa空氣壓力[12]。 9、cmos 熱、透風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)（hvac）多功能傳感器熱、透風(fēng)和空氣的調(diào)節(jié)須測(cè)試溫度、氣流和空氣的濕度。將熱電堆、熱壓力傳感和丈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(lèi)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)能夠以較低本錢(qián)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(cè)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(zhǎng)的毛細(xì)管兩端加上直流電壓，管中注進(jìn)離子導(dǎo)電液體，將發(fā)生電泳運(yùn)動(dòng)，將分析的樣品注進(jìn)毛細(xì)管一端，不同分子量的團(tuán)體將以不同速度運(yùn)動(dòng)，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(xiàn)或熒光可以測(cè)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(jià)格低，而尺寸小，僅為傳統(tǒng)電泳儀尺寸的10分之一，速度快也進(jìn)步10倍，而且測(cè)試結(jié)果更加正確[14]。2、微機(jī)械質(zhì)譜儀電泳儀可用來(lái)分析試樣的分子組成，而質(zhì)譜儀是用來(lái)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(chǎng)使離子高速運(yùn)動(dòng)，并在磁場(chǎng)中將不同質(zhì)量的離子分離到不同的運(yùn)動(dòng)軌道，同探測(cè)器檢測(cè)，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(kāi)發(fā)之中，預(yù)計(jì)可以將尺寸縮成掌上型大小[15]。3、微機(jī)械細(xì)胞計(jì)通過(guò)將細(xì)胞懸浮在液體中，注進(jìn)裝有透明液體的試管。注進(jìn)時(shí)，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(cè)定單個(gè)細(xì)胞的外形、尺寸、光學(xué)特性，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)研究。這對(duì)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(jì)將能用來(lái)確定含量?jī)H0.1%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(wú)法丈量數(shù)目非常少的dna的結(jié)構(gòu)，只能通過(guò)復(fù)制dna的染色體，使數(shù)目增多之后才能測(cè)定。利用加熱時(shí)dna雙螺旋蛋白質(zhì)分子的融解，分解成兩條單鏈，冷卻時(shí)，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(guò)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(jià)格昂貴的反應(yīng)試劑。隨著醫(yī)療對(duì)dna測(cè)試需求增加，本錢(qián)低、性能優(yōu)良的微機(jī)械鏈?zhǔn)椒磻?yīng)儀將會(huì)有較大市場(chǎng)。5、微機(jī)械重金屬探測(cè)儀用微機(jī)械方法可以制成陽(yáng)極溶解式重金屬探測(cè)儀，利用重金屬特征電位和電離電量來(lái)檢測(cè)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(cè)儀，可以在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)重金屬污染[18]。6、微機(jī)械血液測(cè)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(cè)試儀，可以快速測(cè)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(kāi)發(fā)成功預(yù)示著化學(xué)分析儀進(jìn)進(jìn)一個(gè)嶄新天地。五、結(jié)論短短的十余年時(shí)間，微機(jī)械從誕生至今，從原理研究，器件開(kāi)發(fā)到儀器研制，已經(jīng)積累了眾多成果，形成了一個(gè)對(duì)人類(lèi)社會(huì)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(chǎng)占有已達(dá)1/4以上，并且開(kāi)拓出汽車(chē)安全汽囊開(kāi)釋控制系統(tǒng)等高經(jīng)濟(jì)附加值，高社會(huì)價(jià)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(jià)值，將對(duì)人類(lèi)社會(huì)生活帶來(lái)巨大的進(jìn)步。微機(jī)械儀器的開(kāi)發(fā)和研究成果表明，人類(lèi)已經(jīng)有能力開(kāi)發(fā)出品種眾多、本錢(qián)低廉的便攜式或掌上型儀器，測(cè)試速度快，測(cè)試結(jié)果更加精密，這將使越來(lái)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(jì)算機(jī)相似，微機(jī)械器件的上風(fēng)在于大批量生產(chǎn)帶來(lái)的價(jià)格上風(fēng)，因此，現(xiàn)在取得貿(mào)易成功的主要是那些有巨大市場(chǎng)的項(xiàng)目，如力學(xué)傳感器，但隨著各種模塊式器件開(kāi)發(fā)，可以期看組合成種類(lèi)眾多的儀器和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)械產(chǎn)品的多樣化。參考文獻(xiàn)j. bryzek, impact of mems technology on society, sensors and actuators 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