微機械元件和微機械儀器的論文

　　摘要微機械元件和微機械儀器，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(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(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)帶入了信息時(shí)代。

　　在電子技術(shù)深入發(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(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(huì )效益，展現了美好的前景。

　　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，成本低廉，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)一步替代傳統傳感器，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)。國際上許多著(zhù)名的公司如，Rosemout、AnalogDevices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

　　微機械器件的優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)時(shí)成本低廉，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、多功能絕對壓力傳感器

　　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，提高汽車(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)鍵元件為多功能絕對壓力傳感器。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，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定化和標定，測血壓的費用較高。

　　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，使用費用很低，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)驗研究轉入實(shí)際應用，應用于汽車(chē)車(chē)禍傳感和剎車(chē)及安全汽囊釋放控制系統。95年年產(chǎn)量逾五百萬(wàn)件[4]。在過(guò)去的二十中，雖然美國由于汽車(chē)數量增加車(chē)禍的數量增加了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)預測

　　十年前，微機械器件僅有硅壓力傳感器具有較大市場(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，而許多其它微機械器件也逐步商業(yè)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，但有理由預測，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)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(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)安全氣囊釋放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(mǎn)足傳統商業(yè)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)。微機械顯示芯片將最終實(shí)現市場(chǎng)化，可望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，有希望實(shí)現居民實(shí)時(shí)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(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)監測房間的異常侵入。溫升（幾mK）用熱電堆來(lái)檢測[11]。預計該元件在民用、工業(yè)和軍事上都有廣闊的應用前景。

　　8、CMOS熱壓力傳感器

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

　　9、CMOS熱、通風(fēng)和空氣調節（HVAC）多功能傳感器

　　熱、通風(fēng)和空氣的調節須測試溫度、氣流和空氣的濕度。將熱電堆、熱壓力傳感和測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)能夠以較低成本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，管中注入離子導電液體，將發(fā)生電泳運動(dòng)，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(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，速度快也提高10倍，而且測試結果更加準確[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，注入裝有透明液體的試管。注入時(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)細胞的形狀、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)法測量數量非常少的DNA的結構，只能通過(guò)復制DNA的染色體，使數量增多之后才能測定。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，成本低、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)入一個(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)安全汽囊釋放控制系統等高經(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、成本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，微機械器件的優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)帶來(lái)的價(jià)格優(yōu)勢，因此，現在取得商業(yè)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)，可以期望組合成種類(lèi)眾多的儀器和系統，實(shí)現微機械產(chǎn)品的多樣化。

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