1 前言
仪器仪表是对信息进行测量与控制的基础手段和设备,是现代社会不可缺少的部分。仪器仪表工业是一个国家科技发展水平的标志,也是现代化的综合因素之一。现代仪器仪表的发展有许多新的特点,值得研究归纳。
例如:
(1)电子和计算机技术已成为现代仪器仪表的重要组成部分,光、机、电一体化,数字化、自动化和智能化,计算机软件及仪器管理系统形成新的体系(如虚拟仪器、总线技术等)。
(2)新型功能树料、新型传感元件和新的测试机理促使仪器仪表发展。激光技术、超导数术、纳米技术、信号处理、图像处理和存储技术等高新技术在现代仪器仪表的开发和应用。
(3)现代的仪器仪表已不再局限于对被测量物进行简单的测量,它对信号的后续处理、分析显示及控制都有很高的要求。仪器仪表的功能更加完善和拓宽了。
(4)仪器用的元器件向微小化、集成化和智能化方向发展,如将测量流量、流速、流向、压力和气体种类的元件集成于一块硅片上的多功能传感器系统。
(5)仪器系统设计采用现代产品设计技术,如模块化设计、可靠性设计、并行工程技术等,以提高质量。在仪器仪表制造技术方面,现代制造技术得以应用。
(6)21世纪的仪器仪表在高技术和现代科学的基础上继续发展,将更多的科学技术融合到其自身中来,成为综合的学科和技术,如:物理、机械、光学、电子、计算机、材料、化学和生物等等。……
我国的仪器仪表研究开发单位有较强的实力,主要集中于大专院校和科研院所。
今年中国仪器仪表学会起草了“振兴我国仪器仪表工业的再建议”,指出面临的问题为:
1·1 缺少统一规划和宏观调控
我国仪器仪表工业起步于工业检测仪表,归属机械工业。机械工业部主要发展工业自动化仪表。随着科学技术和国民经济的不断发展,社会对仪器仪表的需求与日惧增。许多工业部门,甚至教育和科研部门相继建立了自己的数千家仪器仪表企业,生产经营各种通用和专用的仪器仪表。企业规模不大,产值不高,很难形成“团队”,得不到重视和支持。这些问题严重地制约了我国仪器仪表工业的顺利发展。
1·2 不够重视基础研究
仪器仪表,尤其是大型科学仪器、医疗仪器等,涉及到多种学科和先进技术,开发难度大,周期长,经济效益不高,基础研究得不到应有的重视。国家投入的科研经费不足,很少立项组织过重大的科技攻关。引进大型工程项目配套的仪
器仪表大多由外商供应,国内立项的科技攻关项目主要经费也用来进口仪器仪表,两项费用每年高达近百亿美元。大家希望加强统一归口管理,制定好国家规划,认真解决这些问题。这次香山会议会有更多的讨论和建议。本文则从一个角度谈谈仪器仪表发展的方向。
无论是从元器件或系统集成上,还是从材料与制造技术发展上,仪器仪表发展的一个重要方向可以用下面的“三化”来概括:微小化、集成化、智能化。未来的仪器仪表可以把微光学器件、微结构、微传感器、微致动器、信号处理器等集成在一起,能够对外界的各种物理、化学、生物等各种信号进行实时采样、处理、操作和控制的智能化信息系统。
2 关于微小化、集成化和智能化
2·1 微小化
提到微小化,不能不提到微系统的研究,也就是通常所说的MEMS(Micro Electro-MechaNIcal System)或MST(
Micro System Technology)。由此可以产生一种将仪器仪表的传感器及其处理、控制和后续电路等都集成于芯片上的思想。微电子学在使信息技术飞速发展的同时,也促进着MEMS技术的飞速发展。例如以硅表面加工和体硅加工为主的硅微细加工、利用X射线、光刻、电铸的LIGA工艺,精密机械加工,以及微装配和封装(如使用粘接材料的粘接、硅玻璃静电封装、硅硅键合、玻璃玻璃键合和自对准组装技术等)、微系统控制和集成等关键技术等技术。在进行适当的改进后,以硅为基础材料的结构在制作工艺上能与IC工艺兼容,能大批量生产,能大幅降低成本,为仪器仪表实现集成化和智能化提供支持。
2·2 集成化
集成化的优点是众所周知的,目前国际上兴起研究热潮的生物芯片就是集成化的典范。一种lab on chip的结构。在芯片上实现混合、化学反应、分离等宏观上不连续的物理化学过程,使这些过程连续化,并提高系统的性能。
微全分析系统(μTAS)将样品的分析和信息的处理结合在一起,这要求将微流体单元、检测单元、控制电路集成在一起。以硅微细加工为主的MEMS加工技术和微电子工艺有着良好的兼容性,能够实现各种微生化功能单元和电路的集成。
2·3 智能化
以传感器为例,其智能化过程基本上可以分为三个阶段。有人认为敏感元件集成了信号处理电路就可称为智能传感器。按照这种定义,绝大部分的传感器都可称为智能型,但实际上这些传感器的智能化程度很低,通常被称为集成传感器,这是第一阶段。第二阶段的传感器集成了信号预处理部分。所谓智能传感器就是部分或全部集成了主要的处理单元,这是第三阶段。
传感器到现在至少已经经过了四代接口形式。第一代产品基本上没有电子器件,产生的响应结果实质上没有经过信号处理。第二代包含了放大器及一些温度补偿。到了第三代(现在大多数器件都属于这一情况),一些放大和信号缓冲利用离散和混成电子技术实现了模块化。传感器集成于一个包含模数转换器(ADC)和微处理器的远程信号处理包中,其通讯是单向高位模拟形式。第四代传感器达到了高度的集成,传感器芯片本身上就集成了部分或全部的单片传感器电路。现在正在发展作为系统成分的第五/六代的传感器。
3 结束语
关于仪器仪表工业和科研,必须加强统一归口管理,应当制定好国家规划,特别是‘十五’计划。对于其中的“微小化、集成化和智能化”问题,建议:
3·1 认识“微小化、集成化和智能化”的重要性
仪器仪表在微小化、集成化和智能化方面的发展是迅速和必然的,是仪器仪表的共性问题,它的发展将会对21世纪的仪器仪表产生极其深远的影响。其发展的潜力和市场前景巨大。预计到2003年的微小系统的市场约为400亿美元,是商用航空业的一半。
3·2 “微小化、集成化和智能化”对仪器仪表交叉学科发展的要求
仪器仪表要实现微小化、集成化和智能化,必须要将各种最新的科学和技术应用到其研究和生产中来。仪器仪表的发展要综合多门学科研究成果,组织学科交叉的研究队伍。
3·3 加强企业的开发力量,提高我国仪器仪表行业的总体水平
制造技术是仪器仪表,特别是微小化、集成化和智能化发展的基础,企业研究开发力量薄弱应引起充分重视。
3·4 认真分析我国经济和科学发展对仪器仪表的需求
未来科技和经济的发展将促进各类用于分析、测量等检测与控制的仪器仪表开发研制,并提出更高的要求。微小化、集成化和智能化要紧密结合我国需求,才能发展。
[参考文献]略
本文作者：金国藩 周兆英
