强大的小虫子大获成功 - 彭博社

在一个奇怪的高速公路上，雾气弥漫的夜晚，你的车头灯前的旋涡看起来像棉花糖。幸运的是，你仪表盘上的屏幕提供了前方道路的黑白图像。这个图像是用安装在前面的红外视频摄像头拍摄的，能够提前警告坑洼、行人和道路的曲折。

如今，几乎只有坦克和战斗机的驾驶员在使用红外导航。夜视系统的成本在10万美元以上，部分原因是它们的热敏内部需要用液氮进行昂贵的制冷。但这一切即将改变。霍尼韦尔公司的工程师们设计了一种新的红外摄像头，他们认为在三年内，汽车制造商将提供无制冷的导航设备，作为大约2000美元的选项。驾驶员可以像查看后视镜一样查看屏幕。秘密在于霍尼韦尔的计算机芯片“眼睛”，里面装有80,000个微小结构，对红外辐射（热的一种形式）极为敏感。温暖的汽车和狗呈现白色，而坑洼和寒冷的天空则是黑色。

实验室样本。霍尼韦尔的摄像头是微机械技术新潮流的产物，这是一项长期受到推崇的技术，正在迅速从仅仅令人惊叹转变为真正的惊艳。微机械技术的概念是将电子组件与机械组件结合在一个小型设备中，通常直径不到一毫米。微小的膜、阀门、悬臂和桥梁——通常具有运动部件——可以在硅晶圆上大规模生产。通过这些附加组件，曾经只执行电子任务的芯片可以检测微小的温度变化、测量加速度，或打开和关闭一个比针孔还小的阀门。

那有什么好处呢？只需发挥你的想象力。微型机器触发安全气囊，瞬间调整高科技运动鞋的弹簧，检查轮胎是否充气适当，显示高清电视画面，预测振动模式何时机器会故障，并防止炸弹在错误的时间引爆——更不用说在黑暗中看东西了。

微型机械的普及在数字上得到了体现。位于俄亥俄州哥伦布市的巴特尔纪念研究所的附属机构巴特尔欧洲在去年一项行业支持的研究中估计，1990年全球微机械设备的市场价值已增长到约5亿美元。巴特尔预计，到1995年销售额将达到18亿美元，到2000年将达到80亿美元。

微型机械师通过降低目标而取得成功。1988年，当第一台微型电动机被制造出来时，未来学家设想了装满齿轮和电动机的微型机器人，它们将修理飞机或肝脏。五年后，微型电动机仍然是实验室的好奇物。但与此同时，工程师们一直在利用微加工原理创造简单而实用的设备。大多数微系统只有一个简单的运动部件。霍尼韦尔的相机没有任何运动部件，因此严格来说，它不是一台机器。相反，它是通过微加工技术构建的硅结构。

它们可能很简单，但这些微型机器和结构有潜力“彻底改变世界，就像集成电路所做的那样，”华盛顿国家科学基金会微机械工程主任林顿·萨尔蒙宣称。与五角大楼高级研究计划局的同事凯哈姆·J·“肯”·加布里埃尔一起，萨尔蒙希望加速微型机器从大学走向市场。“如果只进行基础研究，”萨尔蒙说，“这个领域将会死去。”

确实，微加工将再次考验美国人是否能从他们的发明中获利。日本和德国正在抹去早期美国的领先优势。根据ARPA的加布里埃尔的估计，这两个国家的企业和大学研究支出每年都超过3000万美元，约与美国持平。

对萨尔蒙和加布里埃尔来说，更令人担忧的是支出模式：美国最好的基础研究主要发生在大学，如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、威斯康星大学和乔治亚理工学院。在日本，基础研究也在东芝、NEC和NTT进行。而且日本公司与大学之间有着密切的联系。公司频繁向顶尖学术研究人员索取信息，以至于九州工业大学的生田浩二表示，他有时很难找到时间进行自己的工作。

无线。与此同时，欧洲人将微加工视为弥补他们在微电子领域挫折的一种方式。他们在这一领域有着自豪的历史，以瑞士手表为例。“与其他一些领域不同，欧洲在微系统技术方面仍然处于良好位置，”慕尼黑德意志航空航天公司微系统技术研究主任瓦尔特·克罗伊说。德国政府正在推动中小型企业采用一种德国发明，该发明利用注塑成型来制造微型设备。

然而，不要低估美国人。尽管德国人、瑞士人和日本人在超细钻头、车床和专业工艺方面更为熟练，但美国人在另一种方式上擅长制造微型机器——使用芯片制造技术，如掩模和蚀刻。使用广为人知、易于获得的芯片技术可以保持微加工的低成本。而且，由于机械和电子元件在同一芯片上，无需电线，因此保持整个系统小型化和可靠性相对容易。

美国政府似乎也走在正确的轨道上。ARPA正在引导公司快速商业化。相比之下，日本国际贸易与工业省正在进行一个原本预算为2.15亿美元的10年项目，这让许多人觉得是空中楼阁。一个目标是制造一个宽度为三分之一英寸的潜水器，能够穿越电厂的管道，并释放更小的胶囊进行检查和维修。美国专家表示，这将几乎没有商业衍生品，而MITI已经在削减对该项目的资金支持。“我很高兴他们选择了这个重点，”麻省诺伍德的模拟设备公司高级加速度计组主任理查德·S·佩恩说。

弯曲的H。通过关注当下，模拟设备公司打造了一个真正的业务。它正在向西门子汽车有限公司发货加速度传感器，用于1994年款的欧洲汽车制造商的安全气囊，模拟设备公司尚未透露该制造商的名称。利用在伯克利和其他学校开发的表面微加工技术，模拟设备将其加速度计中的H形传感器元件缩小到小于一平方毫米（插图，见第94页）。

当汽车突然减速时，模拟设备芯片上的H开始在其锚点上横向摆动。一个电压使其不移动，而在碰撞中，所需的电压会增加——足以使安全气囊弹出。由于该传感器的尺寸仅为旧款传感器的二十分之一，芯片上有空间来放大和过滤电压的尖峰。模拟设备预计以每个5美元的价格销售这些芯片，而旧系统的三到五个机电传感器的价格约为30美元。弯曲的H可能没有电机那么令人印象深刻，但至少它是可以销售的。“我们被迫制定了一个商业计划，”佩恩说，“而不是一个研究计划。”

一些公司多年来从微机械中获利。例如，位于加利福尼亚州弗里蒙特的英国卢卡斯工业公司旗下的卢卡斯诺瓦传感器公司，销售测量汽车发动机空气-燃料混合物和油压的传感器。最近的一款设备是一种血压监测器，边长为三分之一毫米，可以通过静脉插入导管到达心脏瓣膜。现在，越来越多的公司开始参与其中。今年二月在佛罗里达州劳德代尔堡举行的国际微机械会议上，这种兴趣显而易见。赞助商包括惠普、霍尼韦尔、摩托罗拉、杜邦和福特。

汽车行业是一个肥沃的土壤。例如，通用汽车公司的凯迪拉克部门使用带有微型嵌入式加速度传感器的芯片，以帮助消除1993年款塞维尔旅行轿车和其他汽车的颠簸。你不会在汽车中找到最先进的传感器，因为谨慎的汽车制造商不会在四五年后设计组件，除非这些部件已经可以商业化生产。不过，福特研究实验室微传感器和执行器经理埃德·N·西卡夫斯表示，保持关注是有意义的：“这个微型化的业务将会爆发。”

给微加工初学者的一条建议：忘掉你曾经学过的所有设计原则。首先，材料的成本不是问题。正如德国凯尔斯鲁厄研究中心的研究人员在佛罗里达会议上所展示的，建造一个固体黄金的泵室甚至是便宜的。而在微机械中，摩擦、表面张力和静电的重要性极为巨大，而重力几乎可以忽略不计。工程师们必须说服自己，相对巨大的物体在细小支撑上悬臂是安全的——就像把一只25磅的火鸡放在一根一 yard 长的牙签的末端一样。

努力工作。虽然仍在努力掌握微设备的物理学，但一些研究人员正在向下一个前沿推进：微执行器，它们不仅仅是感知环境，而是能够执行某些操作。目前微电机、微泵等的问题在于它们无法进行实际工作。一个微电机仅仅旋转一粒灰尘就已经费劲。

因此，诀窍在于让成千上万的执行器协同工作。这就是德州仪器公司用于高质量图像传输的设备背后的原理，该设备由307,000个铝制微镜组成，可以单独旋转以反射彩色图像的红、绿和蓝光。这种阵列的早期版本已经在西北航空公司、荷兰皇家航空公司等航空公司的票据打印机内部使用。

这无疑是一项技术上的壮举。但可能需要数年时间，这样复杂的机器才能与简单但有效的传感器的成功相匹配。位于旧金山的市场营销公司Roger Grace Associates估计，即使到本十年末，汽车制造商在生产车辆中也不会使用任何执行器，传感器将占据所有行业销售。

简而言之，近期的挑战可能不是设计出越来越复杂的小工具，而是传播关于设计和生产的知识，以便微加工能够渗透到各个行业。“集成电路开始起飞是因为它们进入了消费电子产品，如计算器和微波炉，”国家科学基金会的萨尔蒙说。“而这一切发生在公司中有足够的工程师具备构建芯片的大学经验，并且他们说‘我可以做到’。”这支能够做到的工程师团队正在形成，并且很快可能会以百万种微小的方式改变世界。