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微機械元件和儀器新進展

微機械元件和儀器新進展一、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)棗微機械技術(shù)悄然的誕生。微機械發(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步的**性技術(shù)。
微機械的全稱為微電子機械系統(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，微機械技術(shù)的概念就開始萌芽，一些富有創(chuàng)見的科學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械系統(tǒng)。八十年代末，微機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的研制成功，標志著微機械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成了一門獨立的新興學科。在科學家們的推動下，微機械技術(shù)受到了美國、德國、日本等發(fā)達國家的重視，投入了大量的人力物力，十余年間，微機械技術(shù)取得了眾多新成果，微機械技術(shù)透浸到眾多領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益，展現(xiàn)了美好的前景。
二、微機械元件
微機械元件既可以作為獨立的器件，應(yīng)用于宏觀的機電系統(tǒng)中，又可以作為微機械集成系統(tǒng)的單元，是微機械迄今為止研究和開發(fā)的主要內(nèi)容。
微機械的研究主要集中在硅基器件上，這與硅的良好的機械性能和與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為微機械傳感器，微機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)出微機械技術(shù)的強大的生命力。
微機械傳感器市場潛力仍非常大，不僅可以進一步替代傳統(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。國際上許多有名的公司如，rosemout、analogdevices和motorola均有積極的微機械傳感器市場發(fā)展計劃。
（一）微機械元件應(yīng)用
微機械器件的優(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**壓力傳感器
石油危機和人們對環(huán)境保護的要求，使汽車制造商必須改進油料燃燒的經(jīng)濟性，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**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)定化和標定，測血壓的費用較高。
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定和穩(wěn)定化，使用費用很低，在嚴重的**的診斷和**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驗研究轉(zhuǎn)入實際應(yīng)用，應(yīng)用于汽車車禍傳感和剎車及**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，而許多其它微機械器件也逐步商業(yè)化，市場價值達數(shù)十億美元。現(xiàn)在，非傳感器類微機械器件的市場還非常小，但有理由預(yù)測，在今后十年，非傳感器類微機械器件將會有明顯增長。
近期有較好市場前景的微機械器件有：
1、壓力傳感器
微機械硅基壓力傳感器將進一步增長，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)實控制器等方面，以汽車**氣囊釋放為目標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驅(qū)動硬盤磁頭，可以實現(xiàn)0.1μm精密定位，存貯密度可達100gb/in2 [7]。
（2）ibm開發(fā)了一種塑性存貯盤讀寫技術(shù)，用微機械技術(shù)制作“筆尖”，在“寫”時，在塑性盤上形成凹坑，而讀時，與早期的唱片機讀的方法一樣。用該方法，已實現(xiàn)存貯密度達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???硅谷公司也在開發(fā)該項技術(shù)。微機械顯示芯片將*終實現(xiàn)市場化，可望在巨大的顯示器市場占有一定份額。
6、微機械通訊器件
正在開發(fā)中的光纖微機械反射調(diào)制器，有希望實現(xiàn)居民實時影相通訊，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**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、通風和空氣調(diào)節(jié)（hvac）多功能傳感器
熱、通風和空氣的調(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、微機械儀器
由于微機械技術(shù)能夠以較低成本制造出尺寸微小的機械結(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、微機械電泳儀
在細長的毛細管兩端加上直流電壓，管中注入離子導(dǎo)電液體，將發(fā)生電泳運動，將分析的樣品注入毛細管一端，不同分子量的集團將以不同速度運動，從而形成按分子質(zhì)量的分布排列，在毛細管的側(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)果更加準確[14]。
2、微機械質(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動，并在磁場中將不同質(zhì)量的離子分離到不同的運動軌道，同探測器檢測，即可分析原子組成。用微機械方法制作這種質(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、微機械細胞計
通過將細胞懸浮在液體中，注入裝有透明液體的試管。注入時，細胞懸浮液在試管透明液中形成很細的一條液柱，液柱非常細，可以從試管側(cè)面測定單個細胞的形狀、尺寸、光學特性，進行統(tǒng)計學研究。這對醫(yī)學研究非常有益。現(xiàn)在這種儀器十分昂貴，而用微機械方法制作細胞儀的中的微結(jié)構(gòu)十分便利的，微機械細胞計將能用來確定含量僅0.1%的血細胞[16]。
4、微機械染色體鏈成反應(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?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]。
用微機械方法制作的鏈式反應(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)良的微機械鏈式反應(yīng)儀將會有較大市場。
5、微機械重金屬探測儀
用微機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、微機械血液測試儀
以微機械生物化學傳感器為基礎(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[19]。這種血液分析儀的開發(fā)成功預(yù)示著化學分析儀進入一個嶄新天地。
五、結(jié)論
短短的十余年時間，微機械從誕生至今，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科。目前在微機械傳感器表現(xiàn)出了強大的生命力，在傳感器市場占有已達1/4以上，并且開拓出汽車**汽囊釋放控制系統(tǒng)等高經(jīng)濟附加值，高社會價值的新型產(chǎn)品，而在微機械陀螺儀、生物和化學傳感器等方面的研究成果，表明微機械在眾多領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值，將對人類社會生活帶來巨大的進步。
微機械儀器的開發(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研究。
與微型計算機相似，微機械器件的優(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)，實現(xiàn)微機械產(chǎn)品的多樣化。

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