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,近十年來,研制、開發(fā)及市場擴大方面取得了巨大的進展,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(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步的革命性技術(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(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(xué)科。在科學(xué)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。國際上許多著名的公司如,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;镜姆椒ㄊ菄栏窨刂迫剂吓c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,F(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,以汽車安全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]。還有其它硅谷公司也在開發(fā)該項技術(shù)。微機械顯示芯片將最終實現(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(xué)特性,進行統(tǒng)計學(xué)研究。這對醫(yī)學(xué)研究非常有益,F(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(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[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(xué)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,并且開拓出汽車安全汽囊釋放控制系統(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(xué)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(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),實現(xiàn)微機械產(chǎn)品的多樣化。
來源:網(wǎng)絡(luò)整理 免責(zé)聲明:本文僅限學(xué)習(xí)分享,如產(chǎn)生版權(quán)問題,請聯(lián)系我們及時刪除。