微機械元件和儀器新進(jìn)展*

微機械元件和儀器新進(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，
使用者請注明文章出處大連理工大學(xué)機械系 邵培革 長(cháng)春光學(xué)精密機械研究所 王立鼎 摘要 微機械元件和微機械儀器，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)擴大方面取得了巨大的進(jìn)展，展現了美好的遠景。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)結構發(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)展潛力和應用遠景。很多科學(xué)家堅信，它將成為繼微電子技術(shù)之后又一項推動(dòng)社會(huì )迅速進(jìn)步的革命性技術(shù)。微機械的全稱(chēng)為微電子機械系統，是以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基礎的一項新技術(shù)。早在六十年代，微機械技術(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、執行器和控制器，并設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)格低廉的微電子機械系統。八十年代末，微機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的研制成功，標志著(zhù)微機械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成了一門(mén)獨立的新興學(xué)科。在科學(xué)家們的推動(dòng)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，投進(jìn)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(huì )效益，展現了美好的遠景。二、微機械元件微機械元件既可以作為獨立的器件，應用于宏觀(guān)的機電系統中，又可以作為微機械集成系統的單元，是微機械迄今為止研究和開(kāi)發(fā)的主要內容。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構簡(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(cháng)十分迅速，95年產(chǎn)量為5千萬(wàn)件，預計2005年產(chǎn)量將達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，表現出微機械技術(shù)的強大的生命力。微機械傳感器市場(chǎng)潛力仍非常大，不僅可以進(jìn)一步替換傳統傳感器，由于其價(jià)格低廉，必將在更多領(lǐng)域得到應用，從而開(kāi)辟更廣闊的新興市場(chǎng)。國際上很多著(zhù)名的公司如，rosemout、analog devices和motorola均有積極的微機械傳感器市場(chǎng)發(fā)展計劃。（一）微機械元件應用微機械器件的上風(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)于傳統器件。目前具有廣闊市場(chǎng)的應用領(lǐng)域包括：1、多功能盡對壓力傳感器石油危機和人們對環(huán)境保護的要求，使汽車(chē)制造商必須改進(jìn)油料燃燒的經(jīng)濟性，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�；�本的方法是嚴格控制燃料與空氣的比例。這種控制系統的關(guān)鍵元件為多功能盡對壓力傳感器。1995年這種傳感器產(chǎn)量為二千五百萬(wàn)件。2、醫用壓力傳感器在使用微機械傳感器以前，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定化和標定，測血壓的用度較高。汽車(chē)用多功能硅壓力傳感器研制成功，激勵人們成功地開(kāi)發(fā)出醫用壓力傳感器，這種醫用傳感器使用前不需標定和穩定化，使用用度很低，在嚴重的疾病的診斷和治療棗如心臟手術(shù)等醫療中得到廣泛應用，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)驗研究轉進(jìn)實(shí)際應用，應用于汽車(chē)車(chē)禍傳感和剎車(chē)及安全汽囊開(kāi)釋控制系統。95年年產(chǎn)量逾五百萬(wàn)件[4]。在過(guò)往的二十中，固然美國由于汽車(chē)數目增加車(chē)禍的數目增加了75%，而車(chē)禍死亡率卻減少了50%。這與微機械加速度傳感器在汽車(chē)中的應用有很大的關(guān)系。二、市場(chǎng)猜測十年前，微機械器件僅有硅壓力傳感用具有較大市場(chǎng)應用，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，而很多其它微機械器件也逐步貿易化，市場(chǎng)價(jià)值達數十億美元�，F在，非傳感器類(lèi)微機械器件的市場(chǎng)還非常小，但有理由猜測，在今后十年，非傳感器類(lèi)微機械器件將會(huì )有明顯增長(cháng)。近期有較好市場(chǎng)遠景的微機械器件有：1、壓力傳感器微機械硅基壓力傳感器將進(jìn)一步增長(cháng)，應用于汽車(chē)和智能化網(wǎng)絡(luò )輸出等方面[5]。汽車(chē)傳感器的應用包括：燃油汽化、高壓噴油、發(fā)動(dòng)機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、轉速計和陀螺儀等，主要應用于汽車(chē)穩定性控制和駕駛控制及虛擬現實(shí)控制器等方面，以汽車(chē)安全氣囊開(kāi)釋為目標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，預計價(jià)格為每件15美元[6]。慣性傳感器可作為智能慣性導航的核心器件，應用于汽車(chē)、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(cháng)。但目前微機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)足傳統貿易領(lǐng)域的需要[7]。4、數據存貯復雜軟件和影相技術(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(kāi)發(fā)之中，在微機械技術(shù)領(lǐng)域，有良好貿易遠景的存貯技術(shù)的研究包括：（1）用芯片上的伺服電機驅動(dòng)硬盤(pán)磁頭，可以實(shí)現0.1μm精密定位，存貯密度可達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)，與早期的唱片機讀的方法一樣。用該方法，已實(shí)現存貯密度達20gb/in2 [8]。5、顯示器芯片德州儀器開(kāi)發(fā)微轉鏡顯示芯片技術(shù)已愈十五年，現在已經(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)該項技術(shù)。微機械顯示芯片將終極實(shí)現市場(chǎng)化，可看在巨大的顯示器市場(chǎng)占有一定份額。6、微機械通訊器件正在開(kāi)發(fā)中的光纖微機械反射調制器，有�？磳�(shí)現居民實(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)現的。硅的氧化物和氮化物對8至14微米的波長(cháng)敏感，可用來(lái)監測房間的異常侵進(jìn)。溫升（幾mk）用熱電堆來(lái)檢測[11]。預計該元件在民用、產(chǎn)業(yè)和軍事上都有廣闊的應用遠景。8、cmos熱壓力傳感器利用壓力對空氣熱傳導性能有影響，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)和空氣調節（hvac）多功能傳感器熱、透風(fēng)和空氣的調節須測試溫度、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、微機械儀器由于微機械技術(shù)能夠以較低本錢(qián)制造出尺寸微小的機械結構，并且可以將傳感器、執行器、控制器集成了一體，因此在測試儀器等方面表現出了巨大的優(yōu)越性。1、微機械電泳儀在細長(cháng)的毛細管兩端加上直流電壓，管中注進(jìn)離子導電液體，將發(fā)生電泳運動(dòng)，將分析的樣品注進(jìn)毛細管一端，不同分子量的團體將以不同速度運動(dòng)，從而形成按分子質(zhì)量的分布排列，在毛細管的側面用放射線(xiàn)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電泳儀有很大優(yōu)越性，不僅價(jià)格低，而尺寸小，僅為傳統電泳儀尺寸的10分之一，速度快也進(jìn)步10倍，而且測試結果更加正確[14]。2、微機械質(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)使離子高速運動(dòng)，并在磁場(chǎng)中將不同質(zhì)量的離子分離到不同的運動(dòng)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(kāi)發(fā)之中，預計可以將尺寸縮成掌上型大小[15]。3、微機械細胞計通過(guò)將細胞懸浮在液體中，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，可以從試管側面測定單個(gè)細胞的外形、尺寸、光學(xué)特性，進(jìn)行統計學(xué)研究。這對醫學(xué)研究非常有益�，F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構十分便利的，微機械細胞計將能用來(lái)確定含量?jì)H0.1%的血細胞[16]。4、微機械染色體鏈成反應儀現有技術(shù)尚無(wú)法丈量數目非常少的dna的結構，只能通過(guò)復制dna的染色體，使數目增多之后才能測定。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)，在適當的反應試劑中，試劑分子與每一單鏈相互組合，形成兩條雙鏈dna。重復上述過(guò)程，將使dna分子大量增殖[17]。用微機械方法制作的鏈式反應儀，可以在幾分鐘內完成dna的樣品復制，比傳統儀器快5至10倍，而且，可以節約價(jià)格昂貴的反應試劑。隨著(zhù)醫療對dna測試需求增加，本錢(qián)低、性能優(yōu)良的微機械鏈式反應儀將會(huì )有較大市場(chǎng)。5、微機械重金屬探測儀用微機械方法可以制成陽(yáng)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(lái)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，可以在現場(chǎng)監測重金屬污染[18]。6、微機械血液測試儀以微機械生物化學(xué)傳感器為基礎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(kāi)發(fā)成功預示著(zhù)化學(xué)分析儀進(jìn)進(jìn)一個(gè)嶄新天地。五、結論短短的十余年時(shí)間，微機械從誕生至今，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。目前在微機械傳感器表現出了強大的生命力，在傳感器市場(chǎng)占有已達1/4以上，并且開(kāi)拓出汽車(chē)安全汽囊開(kāi)釋控制系統等高經(jīng)濟附加值，高社會(huì )價(jià)值的新型產(chǎn)品，而在微機械陀螺儀、生物和化學(xué)傳感器等方面的研究成果，表明微機械在眾多領(lǐng)域將發(fā)揮巨大的作用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價(jià)值，將對人類(lèi)社會(huì )生活帶來(lái)巨大的進(jìn)步。微機械儀器的開(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，測試速度快，測試結果更加精密，這將使越來(lái)越多的人得到高質(zhì)量的醫療、保健，更多的人有條件從事高層次的科學(xué)研究。與微型計算機相似，微機械器件的上風(fēng)在于大批量生產(chǎn)帶來(lái)的價(jià)格上風(fēng)，因此，現在取得貿易成功的主要是那些有巨大市場(chǎng)的項目，如力學(xué)傳感器，但隨著(zhù)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，實(shí)現微機械產(chǎn)品的多樣化。參考文獻j. bryzek, impact of mems technology on society, sensors and actuators a 56 (1996), 1~9 j. bryzek, new generation of disposable blood pressure sensors, proc. sensors expro, detroit, mi, usa. 1987 j. bryzek, etc., silicon sensors and micro structures in health care industry, proc. sensors, expro, w. kuchuel, a su***ce machined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry, sensory and actuators, a, 45(1994),7-16 bis strategic decision: automotive components forecast ii: sensors market study, 1993. k.h.l. chan, etc., an integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g application, sensors and actuator, a, 52(1996), p.472 m. zdeblick, micro-fabricated thermop-neumatic actuator for use in fluid regulation systems and other integrated elector-fluidic circuits, arpa report, redwood micro-system, menlo park, ca, 1995. j.mamin, compact, high capacity data storage wring proximal probes, arpa report, ibm almaden center, san jose. ca.. 1995 j. b. sampesll, the digital micro-mirror device and its application to project displays, tech digest, 7th int. conf. solid-state sensors and actuators(transducers’t3), yokohama, japan, 7-10 june, 1993, p. 24 f. hiroyuki, future of actuators and micro-systems, sensors and actuaries a 56(1996), p.105 d. jaeggi, etc., overall system analysis of a cmos thermal converter, tech digest, 9th int. conf. solid-state sensors and actuators/eurosensors ix, stockholm, sweden, 25-29 june,, 1005, vol.2, p. 112 o. paul and h. baltes, novel fully cmos compatible vacuum sensor, sensors and actuators a, 46-47(1995) p. 143 p. malcovati, combined air humidity and flow cmos microsensor with on-chi sigma-delta a/d inte***cem, tech. digest, symp. vlsi circuits, kyoto, japan, 8-10 june, 1995, p. 45. d. j. harriso, chemical analysis and electorphoresis systems integrated on glass and silicon chips, proc. ieee solid-state sensor and actuator workshop, hilton head, sc, usa, june 1992, p.110. h.c. nathaanson, novel functionality using micro-gaseous devices, proc. ieee conf. mems, amsterdam, netherlands, jan. 1995, p.72 d. sobek, etc. micro-fabricated fused silica flow chambers for flow cytometry, proc. ieee solid-state sensor and actuator workshop, hilton head, sc. usa, june 1994, p. 260 m. a. northrop, etc, dna amplification in a micro-fabricated reaction chamber, proc,. 7th int. conf. solid-state sensor and(transducer’93), yokohama, japan, 7-10,june, 1993, p. 924 r.j. reay, etc, micro-fabricated eletro-chemical analysis system for heavy metal detection , tech. digest, 8th int. conf. solid-state sensors and actuators(transducers‘95)/euro-sensors ix, stockholm, sweden, 25-29 june, 1995, vol. 2, p.932 g. yee, etc. proc. solid-state sensor and actuator workshop, hilton head, sc, usa, june, 1996 new progress of mems component and instrumentdalian university of science and technology shao pei-ge
changchun institute of and optics and fine mechanics wang li-ding ren yan-tongabstract mems component and instrument are suitable for batch manufacture and have the advantage of low price, high reliability, smaller volume and large-scale integration. in this decade a great progress has been made in the research, development and marketing of this field, which suggests a bright future. *國家863計劃、遼寧省博士起動(dòng)基金、博士后基金資助項目作者簡(jiǎn)介:邵培革, 男, 1964年生人, 1996年于哈爾濱產(chǎn)業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，現為大連理工大學(xué)機械系博士后，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。王立鼎，男,中國科學(xué)院院士。

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