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> 微電機形成專業化的生產體係,在世界上大約經曆了半個多世紀。它已從傳統電機模式發展成為多學科互相滲透的機電一體化產品。隨著基礎研究的深化和新工藝、新材料的出現,越來越多的新型微電機被開發出來並逐步進入實用化,從而給微電機帶來革命性的變化,使微電機的市場前景十分看好。
微電機的市場現狀與發展
隨著工業自動化、辦公自動化和家庭自動化的不斷發展,以及計算機、通信、汽車、家電、玩具產量的不斷提高,世界微電機的市場容量正以高於6%的速度向前推進。日本是世界微電機的最大製造國,在二十世紀80年代末90年代初期達到生產和需求的頂峰,2000年其產量降至17億台,產值也下降到673.3億日元,約為10年前日本微電機產值的一半。近幾年則保持一種相對穩定的發展態勢。日本Mabuchi馬達公司是全球最大的微電機製造商,它控製了一半以上的世界DC電機市場,在我國大陸和台灣省、馬來西亞、越南等地均設有生產工廠,該公司在全球各地的DC電機綜合生產能力已達15億台。由於日本在磁性材料、電子控製和生產工藝上的領先地位,其微電機產品具 有大轉矩、小尺寸、高控製精度、低功耗、長壽命和低成本的競爭優勢。
按照當前使用微電機的數量多少進行排位,信息處理設備(含通信設備)為最大用戶,約占29%;音響設備占18%;汽車電器設備占13%;日常家用電器占8%;視像處理設備占7%;工業電氣驅動和控製占2%。另外,還有23%的應用覆蓋麵,如宇航飛行器、自動化武器裝備、農業機械、輕工機械、醫療設備等等。
在上述應用領域中,電子信息和通信設備是世界微電機市場用量增長最快的領域,年均增長率高達20~30%左右,1999年其需求量為18億台,2001年達到23.2億台。這主要歸功於PC機、VCD(DVD)、CD-ROM驅動器等用主軸電機、步進電機、負載(Loading)電機以及移動電話、傳呼機振動用無芯(Coreless)和有芯(Core)電機的需求增加。
工業自動化與工業領域的微電機市場增長率位居第二,近兩年仍保持了兩位數的同比增長率。
汽車領域用微電機的增長也十分可觀,達8%左右。目前一輛普通汽車一般需要微電機15台,而豪華轎車則需40~60台。隨著全球汽車電子化程度的進一步提高,所需微電機也將愈來愈多。
與此同時,日趨激烈的競爭環境正迫使世界微電機廠商積極探索降低生產成本的有效方法。特別是日本,受日元連續升值、勞動力成本逐年增長的壓力,許多公司在前幾年大舉向海外轉移中低檔微電機生產的基礎上,近年又開始將一批高技術含量微電機的生產轉向國外,其中包括用於激光打印機、噴墨打印機和數字普通紙複印機的無刷微電機,用於辦公自動化設備如激光打印機內的旋轉多角鏡高精度微電機,用於可錄CD、可重寫CD、DVD-ROM和大容量硬驅的盤式微電機以及用於數字A/V設備如DVD視盤機、MD唱機和數碼相機的超微型電機等。我國由於具有磁性材料資源豐富、產量大、價格低、勞動力相對便宜等眾多優勢,所以已成為世界微電機生產的首選國家。據不完全統計,目前在我國建廠的外商獨資或合資微電機生產企業已達20餘家,其產量約占我國微電機總量的80%。
微電機技術的發展趨勢
激烈的競爭也帶來了微電機產品變革的加速。當前世界微電機技術領域的發展趨勢是:
微電機產品的小型輕量和低成本化
輕薄短小、低成本是微電機製造商研究開發的永恒主題,而主軸電機薄型化、緊固結構小型化、電子線路簡易化是微電機小型輕量和低成本化的關鍵。在產品設計中,采用專用IC或LSI來完成電機的驅動係統和讀寫係統,采用新型優質材料如品質優良的工程塑料、高性能NdFeB稀土永磁材料、耐磨性能極優的陶瓷材料分別製作高速微電機的殼體、定子及軸承,則將為微電機產品提高性能、縮小體積、降低成本創造條件。微機械加工技術對微電機的超小型化具有十分重要的意義,盡管近年內微機械加工技術不會顯現其商業價值,但它的某些技術將使傳統電機進一步小型化,如日本鬆下公司已利用半導體工藝和薄膜工藝開發出了轉子直徑僅1mm、電機總體直徑為1.4mm的超小型微電機。
微電機製造的自動化和生產的規模化
隨著國際市場競爭的加劇,微電機產品的市場壽命愈來愈短,因而迫使製造商努力采用CAD/CAM等計算機輔助設計、製造技術,縮短產品研發周期。與此同時,出於成本因素的考慮,一些有實力的大公司還在加緊進行技術改造,積極開展自動化、無人化工廠試驗,進一步采用成套自動化生產線製造微電機,以獲取高的勞動生產率和產品質量。
微電機驅動與控製電路的集成化
電機驅動與控製采用集成電路後,其最大優點是電路簡化,有利於電機的輕薄短小化,並使驅動精度和可靠性提高,同時降低成本。製造商現已開發出一種靈巧功率IC,它把低電壓、高性能的控製電路與大功率驅動電路集成在一個芯片上,用作電機的驅動和控製,效果非常顯著。一些製造商還開發出了應用功率MOS場效應管和控製邏輯電路的智能化微電機產品,實現了傳統電機與電子技術的有機結合。
新原理微電機蓬勃發展
近年來人們借助微電子、精密機械加工及新材料、新生物等高新技術,研發出不少新原理的微電機,並在各種領域獲得了廣泛的應用。最具代表性的有片狀微電機、超聲波微電機、鞭毛電機、超微電機、仿生電機、形狀記憶合金電機、光熱電機、微波電機等。
片狀微電機。即采用片狀線圈、軸向磁路結構並具有微小型化特點的微電機,這是80年代初期發展起來的一種新型電機,其技術關鍵是線圈的製作。片狀微電機對電子產品的小型化發展十分有益,其應用範圍很廣,特別是在OA、HA市場上有著廣泛的應用。如用於HDD、FDD、LBP的主軸驅動以及盒式錄放機、隨身聽、盤式磁帶機、卡拉OK機、DAT、汽車立體聲、CD、MD唱機的輸帶和卷盤等,其需求量相當可觀。有專家斷言:21世紀片狀微電機應用化程度可形成數百億元的市場規模。
超聲波微電機。它是一 種由壓電陶瓷元件的超聲振動而獲得機械力的新原理微電機,沒有繞組和磁場部件,結構十分簡單。
其特點是在低速下直接輸出大轉矩,具有單位體積輸出轉矩大;不要減速齒輪,采用改變頻率或通電時間或相間相位差就可以控製轉速,可將轉速調節至零,製動力矩大,不需附加製動器;機械時間常數為幾毫秒;由於無齒輪,因而噪音低;既不產生雜散磁場,也不受外界的磁場影響。其缺點是變換效率低。
鞭毛微電機。它是細菌在水中遊動而使用的分子機械(由蛋白質分子而形成的機械)。鞭毛微電機在生物界中是唯一的旋轉電機,也是現存世界上最小(直徑50nm)的電機。未來鞭毛電機將廣泛應用於生物領域,科學家們正設想開發活體執行器,如考慮在生物機器人上使用這種執行器;現在的電磁電機重量重,由於傳輸電力和信號需要很多的導線,因而在微觀世界中無法使用。
超微電機。這是指那些形狀非常小(1mm以下)、重量很輕,並且在同一塊基板上(矽或其它材料),采用微電子技術和微加工技術製造出的機電一體化傳動產品。如美國Wisconsen大學采用LIGA技術和多層表麵微加工技術製造的磁驅動微型電機,其轉矩厚度僅40μm,直徑285μm,由於它是以電磁力驅動,因此轉矩和輸出功率得到了很大改善。超微電機的量度時以微米為單位的,它的工作狀況必須藉助於專用裝置或儀器來觀察。超微電機的應用前景十分廣闊,特別是在人們尚未充分認識的微環境下,有待不斷開創擴展。
展望未來,微電機行業必將隨著電子、信息、汽車以及家電這些應用主戰場的興旺而注入更強大的發展動力。
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