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微機械元件和儀器新進展*

注意:本論文已在《光學精密工程》(1999,7(1):10~15)雜志發表,
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大連理工大學機械系 邵培革

長春光學精密機械研究所 王立鼎

 

摘要 微機械元件和微機械儀器,適于大批量生產,具有成本低廉、性能優良和體積微小及集成度高的特點,近十年來,研制、開發及市場擴大方面取得了巨大的進展,展現了美好的前景。

 

一、前言

微電子技術的發展,為通訊、信息處理和生產、生活及辦公自動化等領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業結構發生了巨大的變化,將人類帶入了信息時代。

在電子技術深入發展的同時,一項新的技術棗微機械技術悄然的誕生。微機械發展迅速,具有巨大的發展潛力和應用前景。許多科學家堅信,它將成為繼微電子技術之后又一項推動社會迅速進步的革命性技術。

微機械的全稱為微電子機械系統,是以微電子技術和微加工技術為基礎的一項新技術。早在六十年代,微機械技術的概念就開始萌芽,一些富有創見的科學家開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,從而形成高度自動化、智能化、可以大批量生產、價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,標志著微機械技術已經發展成了一門獨立的新興學科。在科學家們的推動下,微機械技術受到了美國、德國、日本等發達國家的重視,投入了大量的人力物力,十余年間,微機械技術取得了眾多新成果,微機械技術透浸到眾多領域,產生了巨大的經濟和社會效益,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發的主要內容。

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。早期研制成功并商品化的器件是結構簡單的傳感器棗硅壓力傳感器,這種傳感器性能優良,成本低廉,市場增長十分迅速,95年產量為5千萬件,預計2005年產量將達12千萬件[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,發展如此迅速,表現出微機械技術的強大的生命力。

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傳感器,由于其價格低廉,必將在更多領域得到應用,從而開辟更廣闊的新興市場。國際上許多著名的公司如,RosemoutAnalog DevicesMotorola均有積極的微機械傳感器市場發展計劃。

(一)微機械元件應用

微機械器件的優勢在于大批量生產時成本低廉,產品的性能- 價格比明顯優于傳統器件。目前具有廣闊市場的應用領域包括:

1、多功能絕對壓力傳感器

石油危機和人們對環境保護的要求,使汽車制造商必須改進油料燃燒的經濟性,提高汽車單位重量油料的行程,改善汽車尾氣質量。基本的方法是嚴格控制燃料與空氣的比例。這種控制系統的關鍵元件為多功能絕對壓力傳感器。1995年這種傳感器產量為二千五百萬件。

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。

汽車用多功能硅壓力傳感器研制成功,激勵人們成功地開發出醫用壓力傳感器,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等醫療中得到廣泛應用,1995年產量為一千八百萬件[23]

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入實際應用,應用于汽車車禍傳感和剎車及安全汽囊釋放控制系統。95年年產量逾五百萬件[4]。在過去的二十中,雖然美國由于汽車數量增加車禍的數量增加了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用有很大的關系。

二、市場預測

十年前,微機械器件僅有硅壓力傳感器具有較大市場應用,而如今,加速度傳感器已在幾年的時間中產量由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化,市場價值達數十億美元。現在,非傳感器類微機械器件的市場還非常小,但有理由預測,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,應用于汽車和智能化網絡輸出等方面[5]。汽車傳感器的應用包括:燃油汽化、高壓噴油、發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,主要應用于汽車穩定性控制和駕駛控制及虛擬現實控制器等方面,以汽車安全氣囊釋放為目標的加速度傳感器已經開發成功,尺寸僅為3mm×3mm,量程為5g,預計價格為每件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、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商業領域的需要[7]

4、數據存貯

復雜軟件和影相技術對大量信息存貯的需求,促進了高密度存貯技術的研究,多項高密度存貯技術正在開發之中,在微機械技術領域,有良好商業前景的存貯技術的研究包括:

1)用芯片上的伺服電機驅動硬盤磁頭,可以實現0.1μm精密定位,存貯密度可達100GB/in2 [7]

2IBM開發了一種塑性存貯盤讀寫技術,用微機械技術制作“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,已實現存貯密度達20GB/in2 [8]

5、顯示器芯片

德州儀器開發微轉鏡顯示芯片技術已愈十五年,現在已經開始少量生產種芯片[9]。還有其它硅谷公司也在開發該項技術。微機械顯示芯片將最終實現市場化,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

正在開發中的光纖微機械反射調制器,有希望實現居民實時影相通訊,有希望得到迅速發展 [10]

7CMOS 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,絕熱是通過在CMOS熱氧化物下面的體硅腐蝕工藝實現的。硅的氧化物和氮化物對814微米的波長敏感,可用來監測房間的異常侵入。溫升(幾mK)用熱電堆來檢測[11]。預計該元件在民用、工業和軍事上都有廣闊的應用前景。

8CMOS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,可用來測量102106Pa空氣壓力[12]

9CMOS 熱、通風和空氣調節(HVAC)多功能傳感器

熱、通風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技術集成一體,便構成了HVAC傳感器[13]。這種傳感器將在人類高質量生活環境的控制中發揮重要作用。

四、微機械儀器

由于微機械技術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,管中注入離子導電液體,將發生電泳運動,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,從而形成按分子質量的分布排列,在毛細管的側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電泳儀有很大優越性,不僅價格低,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、微機械質譜儀

電泳儀可用來分析試樣的分子組成,而質譜儀是用來分析試樣的原子組成的。在質譜儀中,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譜儀正在開發之中,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,可以從試管側面測定單個細胞的形狀、尺寸、光學特性,進行統計學研究。這對醫學研究非常有益。現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確定含量僅0.1%的血細胞[16]

4、微機械染色體鏈成反應儀

現有技術尚無法測量數量非常少的DNA的結構,只能通過復制DNA的染色體,使數量增多之后才能測定。利用加熱時DNA雙螺旋蛋白質分子的融解,分解成兩條單鏈,冷卻時,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510倍,而且,可以節約價格昂貴的反應試劑。隨著醫療對DNA測試需求增加,成本低、性能優良的微機械鏈式反應儀將會有較大市場。

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,可以在現場監測重金屬污染[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CO2K+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成功預示著化學分析儀進入一個嶄新天地。

五、結論

短短的十余年時間,微機械從誕生至今,從原理研究,器件開發到儀器研制,已經積累了眾多成果,形成了一個對人類社會眾多領域都將發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等高經濟附加值,高社會價值的新型產品,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域將發揮巨大的作用,產生巨大的經濟價值,將對人類社會生活帶來巨大的進步。

微機械儀器的開發和研究成果表明,人類已經有能力開發出品種眾多、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,這將使越來越多的人得到高質量的醫療、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,微機械器件的優勢在于大批量生產帶來的價格優勢,因此,現在取得商業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,可以期望組合成種類眾多的儀器和系統,實現微機械產品的多樣化。

 

 

 

 

參考文獻

  1. J. Bryzek, Impact of MEMS technology on society, Sensors and Actuators A 56 (1996), 1~9
  2. J. Bryzek, New generation of disposable blood pressure sensors, Proc. Sensors Expro, Detroit, MI, USA. 1987
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  6. K.H.L. Chan, etc., An integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g application, Sensors and Actuator, A, 52(1996), p.472
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New Progress of MEMS Component and Instrument

Dalian University of Science and Technology Shao Pei-ge
Changchun Institute of and Optics and Fine Mechanics Wang Li-ding Ren Yan-tong

 

Abstract 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、遼寧省博士起動基金、博士后基金資助項目

作者簡介:

邵培革, , 1964年生人, 1996年于哈爾濱工業大學獲博士學位,現為大連理工大學機械系博士后,已發表學術論文十余篇。

王立鼎,男,中國科學院院士。

 

 


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