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微机械元件和仪器新进展

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摘 要:微机械元件和微机械仪器,适于大批量生产,具有成本低廉、性能优良和体积微小及集成度高的特点,近十年来,研制、开发及市场扩大方面取得了巨大的进展,展现了美好的前景。

1 前言

电子技术的发展 ,为通讯、信息处理和生产、生活及办公自动化等领域带来了巨大的进步,使人类的生活方式、思维方式和社会的产业结构发生了巨大的变化,将人类带入了信息时代 。在电子技术深入发展的同时,一项新的技术棗微机械技术悄然的诞生。微机械发展迅速,具有巨大的发展潜力和应用前景。许多 科学 家坚信,它将成为继微电子技术之后又一项推动社会迅速进步的革命性技术。八十年代末,微机械压力传感器等技术的成熟并市场化,IC工艺制作的静电微电机的研制成功,标志着微机械技术已经发展成了一门独立的新兴学科。在科学家们的推动下,微机械技术受到了美国、德国、日本等发达国家的重视,投入了大量的人力物力,十余年间,微机械技术取得了众多新成果,微机械技术透浸到众多领域,产生了巨大的 经济 和社会效益,展现了美好的前景。

2 微机械元件

微机械元件既可以作为独立的器件,应用于宏观的机电系统中,又可以作为微机械集成系统的单元,是微机械迄今为止 研究 和开发的主要 内容 。微机械的研究主要集中在硅基器件上,这与硅的良好的机械性能和与IC工艺的兼容性有关。早期研制成功并商品化的器件是结构简单的传感器棗硅压力传感器,这种传感器性能优良,成本低廉,市场增长十分迅速,95年产量为5千万件,预计2005年产量将达1亿2千万件。1995年全球传感器市场为60亿美元,其中约4分之1为微机械传感器,微机械传感器从起步至今仅十余年历程,发展如此迅速,表现出微机械技术的强大的生命力。微机械传感器市场潜力仍非常大,不仅可以进一步替代传统传感器,由于其价格低廉,必将在更多领域得到应用,从而开辟更广阔的新兴市场。国际上许多著名的公司如,Rosemout、Analog Devices和Motorola均有积极的微机械传感器市场发展计划。

(一)微机械元件应用

微机械器件的优势在于大批量生产时成本低廉,产品的性能- 价格比明显优于传统器件。 目前 具有广阔市场的应用领域包括:

1、多功能绝对压力传感器

石油危机和人们对环境保护的要求,使汽车制造商必须改进油料燃烧的经济性,提高汽车单位重量油料的行程,改善汽车尾气质量。基本的方法是严格控制燃料与空气的比例。这种控制系统的关键元件为多功能绝对压力传感器。1995年这种传感器产量为二千五百万件。

2、医用压力传感器

在使用微机械传感器以前,测量血压用的是可靠性较低的普通压力传感器。这些传感器在使用前须稳定化和标定,测血压的费用较高。

汽车用多功能硅压力传感器研制成功,激励人们成功地开发出医用压力传感器,这种医用传感器使用前不需标定和稳定化,使用费用很低,在严重的疾病的诊断和 治疗 棗如心脏手术等医疗中得到广泛应用,1995年产量为一千八百万件。

3 市场预测

十年前,微机械器件仅有硅压力传感器具有较大市场应用,而如今,加速度传感器已在几年的时间中产量由20万件增加到近2千万件,而许多其它微机械器件也逐步商业化,市场价值达数十亿美元。现在,非传感器类微机械器件的市场还非常小,但有理由预测,在今后十年,非传感器类微机械器件将会有明显增长。

近期有较好市场前景的微机械器件有:

1、压力传感器

微机械硅基压力传感器将进一步增长,应用于汽车和智能化 网络 输出等方面。汽车传感器的应用包括:燃油汽化、高压喷油、发动机的多功能压力传感器、电子刹车等。

2、惯性传感器

惯性传感器发展十分迅速,包括加速度计、转速计和陀螺仪等,主要应用于汽车稳定性控制和驾驶控制及虚拟现实控制器等方面,以汽车安全气囊释放为目标的加速度传感器已经开发成功,尺寸仅为3mm×3mm,量程为5g,预计价格为每件15美元。

惯性传感器可作为智能惯性导航的核心器件,应用于汽车、飞机和航天器件的驾驶和控制,

3、流体控制器

流体器件,如压力阀,将逐步商品化并有较快的增长。但目前微机械流体器件由于操作温度范围较窄,压力和流量控制范围较小,与流体的相容性有限,还不能很好满足传统商业领域的需要。

4 微机械仪器

由于微机械技术能够以较低成本制造出尺寸微小的机械结构,并且可以将传感器、执行器、控制器集成了一体,因此在测试仪器等方面表现出了巨大的优越性。

1、微机械电泳仪

在细长的毛细管两端加上直流电压,管中注入离子导电液体,将发生电泳运动,将 分析 的样品注入毛细管一端,不同分子量的集团将以不同速度运动,从而形成按分子质量的分布排列,在毛细管的侧面用放射线或荧光可以测定试样的组成。如某一组DNA的组成。

用微机械 方法 制作的电泳仪比传统电泳仪有很大优越性,不仅价格低,而尺寸小,仅为传统电泳仪尺寸的10分之一,速度快也提高10倍,而且测试结果更加准确。

2、微机械质谱仪

电泳仪可用来分析试样的分子组成,而质谱仪是用来分析试样的原子组成的。在质谱仪中,首先将试样气化,然而在真空中电离,再用电场使离子高速运动,并在磁场中将不同质量的离子分离到不同的运动轨道,同探测器检测,即可分析原子组成。用微机械方法制作这种质谱仪正在开发之中,预计可以将尺寸缩成掌上型大小。

3、微机械细胞计

通过将细胞悬浮在液体中,注入装有透明液体的试管。注入时,细胞悬浮液在试管透明液中形成很细的一条液柱,液柱非常细,可以从试管侧面测定单个细胞的形状、尺寸、光学特性,进行统计学 研究 。这对医学研究非常有益。现在这种仪器十分昂贵,而用微机械方法制作细胞仪的中的微结构十分便利的,微机械细胞计将能用来确定含量仅0.1%的血细胞。

4、微机械染色体链成反应仪

现有技术尚无法测量数量非常少的DNA的结构,只能通过复制DNA的染色体,使数量增多之后才能测定。利用加热时DNA双螺旋蛋白质分子的融解,分解成两条单链,冷却时,在适当的反应试剂中,试剂分子与每一单链相互组合,形成两条双链DNA。重复上述过程,将使DNA分子大量增殖。

用微机械方法制作的链式反应仪,可以在几分钟内完成DNA的样品复制,比传统仪器快5至10倍,而且,可以节约价格昂贵的反应试剂。随着医疗对DNA测试需求增加,成本低、性能优良的微机械链式反应仪将会有较大市场。

5 结论

短短的十余年时间,,微机械从诞生至今,从原理研究,器件开发到仪器研制,已经积累了众多成果,形成了一个对人类 社会 众多领域都将发生重大 影响 的丰富多彩的新学科。 目前 在微机械传感器表现出了强大的生命力,在传感器市场占有已达1/4以上,并且开拓出汽车安全汽囊释放控制系统等高 经济 附加值,高社会价值的新型产品,而在微机械陀螺仪、生物和化学传感器等方面的研究成果,表明微机械在众多领域将发挥巨大的作用,产生巨大的经济价值,将对人类社会生活带来巨大的进步。

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