微机械元件和仪器新进展*

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。

一、前言

微机械的全称为微电子机械系统，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早在六十年代，微机械技术的概念就开始萌芽，一些富有创见的科学家开始探索用硅的微加工方法，制作传感器、执行器和控制器，并设想将它们集成在微小的几何空间，从而形成高度自动化、智能化、可以大批量生产、价格低廉的微电子机械系统。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。

二、微机械元件

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^[1]。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。

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

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^[2，3]。

3、加速度传感器

九十年代初，硅加速度传感器已由实验研究转入实际应用，应用于汽车车祸传感和刹车及安全汽囊释放控制系统。95年年产量逾五百万件^[4]。在过去的二十中，虽然美国由于汽车数量增加车祸的数量增加了75%，而车祸死亡率却减少了50%。这与微机械加速度传感器在汽车中的应用有很大的关系。

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^[5]。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^[6]。

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^[7]。

4、数据存贮