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、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。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[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(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、通風和空氣調(diào)節(jié)（HVAC）多功能傳感器 熱、通風和空氣的調(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。 參考文獻 J. Bryzek, Impact of MEMS technology on society, Sensors and Actuators A 56 (1996), 1~9 J. Bryzek, New generation of disposable blood pressure sensors, Proc. Sensors Expro, Detroit, MI, USA. 1987 J. Bryzek, etc., Silicon sensors and micro structures in health care industry, Proc. Sensors, Expro, W. Kuchuel, A surface machined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry, Sensory and Actuators, A, 45(1994),7-16 BIS Strategic Decision: Automotive components forecast II: Sensors market study, 1993. K.H.L. Chan, etc., An integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g application, Sensors and Actuator, A, 52(1996), p.472 M. Zdeblick, Micro-fabricated thermop-neumatic actuator for use in fluid regulation systems and other integrated elector-fluidic circuits, ARPA Report, Redwood Micro-system, Menlo Park, CA, 1995. J.Mamin, Compact, high capacity data storage wring proximal probes, ARPA report, IBM Almaden Center, San Jose. CA.. 1995 J. B. Sampesll, The digital micro-mirror device and its application to project displays, Tech Digest, 7th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators(Transducers’t3), Yokohama, Japan, 7-10 June, 1993, p. 24 F. Hiroyuki, Future of actuators and micro-systems, Sensors and Actuaries A 56(1996), p.105 D. Jaeggi, etc., Overall system analysis of a CMOS thermal converter, Tech Digest, 9th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators/Eurosensors IX, Stockholm, Sweden, 25-29 June,, 1005, Vol.2, p. 112 O. Paul and H. Baltes, Novel fully CMOS compatible vacuum sensor, Sensors and Actuators A, 46-47(1995) p. 143 P. Malcovati, Combined air humidity and flow CMOS microsensor with on-chi sigma-delta A/D interfacem, Tech. Digest, Symp. VLSI circuits, Kyoto, Japan, 8-10 June, 1995, p. 45. D. J. Harriso, Chemical analysis and electorphoresis systems integrated on glass and silicon chips, Proc. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, USA, June 1992, p.110. H.C. Nathaanson, Novel functionality using micro-gaseous devices, Proc. IEEE Conf. MEMS, Amsterdam, Netherlands, Jan. 1995, p.72 D. Sobek, etc. Micro-fabricated fused silica flow chambers for flow cytometry, Proc. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC. USA, June 1994, p. 260 M. A. Northrop, etc, DNA amplification in a micro-fabricated reaction chamber, Proc,. 7th Int. Conf. Solid-State Sensor and(Transducer’93), Yokohama, Japan, 7-10,June, 1993, p. 924 R.J. Reay, etc, Micro-fabricated eletro-chemical analysis system for heavy metal detection , Tech. Digest, 8th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators(Transducers‘95)/Euro-sensors IX, Stockholm, Sweden, 25-29 June, 1995, Vol. 2, p.932 G. Yee, etc. Proc. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, USA, June, 1996　 　 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.