微機(jī)械元件和儀器新進(jìn)展

1、微機(jī)械元件和儀器新進(jìn)展*                                          摘要 微機(jī)械元件和微機(jī)械儀器，適于大批量生產(chǎn)，具有成本低廉、性能優(yōu)良和體積微小及集成度高的特

2、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(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)用前景。許多科學(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

3、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，投入了大量的人力物力，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)了美好的前景。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

4、。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，成本低廉，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)一步替代傳統(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)際上許多著名的公司如，Rosemout、Analog Devices和

5、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)械器件的優(yōu)勢(shì)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(tǒng)器件。目前具有廣闊市場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、多功能絕對(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，使汽車制造商必須改進(jìn)油料燃燒的經(jīng)濟(jì)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(yán)格控制燃料與空氣的比例。這種控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件為多功能絕對(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，測(cè)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)血壓的費(fèi)用較高。汽車用多功能硅壓

6、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，使用費(fèi)用很低，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)入實(shí)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(wàn)件4。在過(guò)去的二十中，雖然美國(guó)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(jī)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(chǎng)預(yù)測(cè)十年前，微機(jī)械器件僅有硅壓力傳感器具有較大市場(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

7、加到近2千萬(wàn)件，而許多其它微機(jī)械器件也逐步商業(yè)化，市場(chǎng)價(jià)值達(dá)數(shù)十億美元?，F(xiàn)在，非傳感器類微機(jī)械器件的市場(chǎng)還非常小，但有理由預(yù)測(cè)，在今后十年，非傳感器類微機(jī)械器件將會(huì)有明顯增長(zhǎng)。近期有較好市場(chǎng)前景的微機(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(dòng)機(jī)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(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)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(shí)控制器等方面，以汽車安全氣囊釋放為目標(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，

8、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、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(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，有良好商業(yè)前景的存貯技術(shù)的研究包括：1  （1）用芯片上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬盤磁頭，可以實(shí)現(xiàn)0.1m精密定位，存貯密度可達(dá)100GB/in27。（2）IBM開(kāi)發(fā)了一種塑性存

9、貯盤讀寫技術(shù)，用微機(jī)械技術(shù)制作“筆尖”，在“寫”時(shí)，在塑性盤上形成凹坑，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/in28。5、顯示器.                                      

10、; （1）用芯片上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬盤磁頭，可以實(shí)現(xiàn)0.1m精密定位，存貯密度可達(dá)100GB/in2 7。（2）IBM開(kāi)發(fā)了一種塑性存貯盤讀寫技術(shù)，用微機(jī)械技術(shù)制作“筆尖”，在“寫”時(shí)，在塑性盤上形成凹坑，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)械顯示芯片將最終實(shí)現(xiàn)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(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，有希望實(shí)現(xiàn)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CMOS IC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(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)房間的異常侵入。溫升（幾mK）用熱電堆來(lái)檢測(cè)11。預(yù)計(jì)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(duì)空氣熱傳導(dǎo)性能有影響，可以制成測(cè)量氣體壓力的CMOS 壓