微機械元件和儀器新進展

黃炎琴?朱奕盈?胡鵬磊?王紅運

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。

1 前言

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)。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(biāo)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。

2 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。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、Analog Devices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(biāo)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(biāo)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。

3 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。現(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。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(biāo)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。

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。

4 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(zhǔn)確。

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。

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。

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(dāng)?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。

用微機械方法制作的鏈?zhǔn)椒磻?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?zhǔn)椒磻?yīng)儀將會有較大市場。

5 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。

作者簡介

黃炎琴（1995-），女，湖南省，常德市，津市市保河堤鎮(zhèn)。鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院13級學(xué)生。