微機械元件和儀器新進展-(一)

1、微機械元件和儀器新進展 *一 摘要微機械元件和微機械儀器，適于大批量生產(chǎn)，具有本錢低廉、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)的開展，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)深入開展的同時， 一項新的技術(shù)棗微機械技術(shù)悄然的誕生。 微機械開展迅速， 具有巨大的開展?jié)摿蛻们熬啊?許多科學家堅信， 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)

2、，是以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基 礎的一項新技術(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)開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(shù)受到了美國、德國、日本 等興旺國家的重視，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

3、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，本錢低廉，市場增長十 分迅速， 95 年產(chǎn)量為 5 千萬件，預計 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，開展如此迅速，表現(xiàn) 出微機械技術(shù)的

4、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開展方案。一微機械元件應用 微機械器件的優(yōu)勢在于大批量生產(chǎn)時本錢低廉，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良油料燃燒 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。根本 的方法是嚴格控制燃料與空氣的比例。這種控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元

5、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，鼓勵人們成功地開發(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)入實際應用，應用于汽 車車禍傳感和剎車及平安汽囊釋放控制系統(tǒng)。 95 年年產(chǎn)量逾五百萬件 4。在過去的

6、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 的應用有很大的關(guān)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(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(wǎng)絡輸出 等方面 5。汽車傳感器的應用包括：

7、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 慣性傳感器開展十分迅速，包括加速度計、轉(zhuǎn)速計和陀螺儀等，主要 應用于汽車穩(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 平安 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 3mmX 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(tǒng)商業(yè)領(lǐng)域的需要

8、7。4、數(shù)據(jù)存貯 復雜軟件和影相技術(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)0.1 am精密定位, 存貯密度可達 100GB/in27。(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/in28。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

9、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， 有希望得到迅速開展 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 計該元件在民用、工業(yè)和軍事上都有廣闊的應用前景。& CMOS熱壓力傳感器CMOS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 壓力傳感器。目前研制的器件，可用來測量1