微电子学与机械电子学

“机械电子学”这个术语虽然是在1980年前后才确定 下来，但是“机电一体化”这类相似的术语，在这以前就已被人们广 泛采用。尽管初看起来这两个术语有相似之处，然而它们产生的 时代背景却大不相同。从这一点考虑，机械电子学作为一个新术 语是有其新意的。 首先，机械电子学与机电一体化所处的时代不同，机械电子学 时代的最大特征是由于出现了微电子学，能够开始提供功能强大 的新的基本元件，从而使机械电子学能在近期内得到了真正的发 展。 近年来兴起的微电子学，忧于过去的机电一体化技术，现在我 们来研究由此带来的一些优点。微电子学的核心技术之一，是高 度的电路集成技术。例如，它可以把复杂的逻辑电路集成到一块 硅芯片上.其结果是可以把原来的电子线路的尺寸大幅度减小，重 量大大减轻，从而可很容易地安装在机械设备内部。这样，一种远 远超过过去的机电一体化水平的组合体就能够实现了. 但是，仅仅作到小型化这一点，就认为组入机械设备内部的功 能元件就能产生预期的效果，显然是不现实的。与电子仪器的工 作环境相比，机械设备内部的环境条件要恶劣得多。例如，对于飞 机上安装的电子线路，由于各种执行机构的动作而产生的电气噪声、飞机本身的机械振动、温度的大幅度改变等，所有这些恶劣条 件均需要加以考虑。实际上不限于飞机，就是对于汽车、工业机器 人、磁带录像机(VTR) 这样一些普通机械电子产品，本质上其工作 环境的恶劣程度也是同样的。

其次，机械电子化的第二个作用，是由于电路的集成化而使其 抗环境干扰的能力迅速提高。其体地说，这是由于电路实现了固 体化和集成化，从而使布线连接部分减少所产生的效果。 第三，电路的装配工作显著简化，产品的价格可以大幅度下 降。这在工业上具有特别重要的意义。近年来，迅速发展起来的 机械电子技术，在日本正在引起人们的普遍关注，其中一个重要原 因就是因为集成化技术的发展，使得大量在过去来说价格昂贵的 电子部件，可以集成到一块芯片上，从而降低了价格，同时元件的 性能也比较稳定，并且能够源源不断地供应市场。 总之，通过电子技术和机械技术的结合，将要产生一种崭新的 机械，这种设想看来是很自然的。但是在微电子学时代以前，要想 在工程上实现这种机械决非易事，从这种意义上看，可以说微电子 学对于这种新型机械，即对于所谓机械电子机器的实现起到了决 定性作用。 可是，为什么现在在工业生产和社会生活上，对机械电子机器 的需要会如此迫切呢?从工业生产方面来说，这是由于对自动化 程度的要求越来越高。从历史上看，正是为了把人们从单纯的体 力劳动中解放出来，才开创了自动化技术.自动化技术发展到今 天，其研究对象正在朝着高度智能化作业转变。 事实上，日本工业界在50年代到60年代中期，大体上已经完 成了为大批量生产使用的生产设备的技术开发工作。70年代，已 经转变到以多品种、小批量生产为目标的新技术开发时期。随着 时间的推移，人们进一步加深了对生产系统状况的认识，从而意识 到，为了组合成多功能的复杂机械，元、部件必须具有很高的信息 功能，总之，只用过去生产出来的元、部件构成的生产设备，其性能 决不能满足为完成上述精确而复杂的任务所提出的性能要求。因 此，人们不是从以前的机械部件中简单地更换几个电子元件，而 是进一步把注意力集中到具有更高性能指标的机械电子机器上。 微电子学的发展是机械电子学发展的必要前提，前面的论述 已经说明了这一点，但是，另一方面，由于机械电子学所要求的高性能技术条件，又促进了微电子技术的更进一步发展。例如在机 械工程范围内研究的燃烧、断裂以及运动等现象中，存在着许多比 微型计算机运算速度高得多的演变过程，尤其是为了构成高度智 能化的机器人，现有的计算机功能肯定是不能胜任的。此外，为了 使作为医学机械电子设备创举的人工心脏能付诸应用，在可靠性 方面，也要求能有重大改进。 反过来讲，作为微电子学典型器件的半导体的制造设备，也需 要有高精度的加工机械，由于机械电子化，各种机械的精度(如定 位等的工作精度、时间测量精度、环境控制能力，以及与测量能力 的提高相关的产品纯度管理精度等等广泛意义上的精度)都可望 得到提高。据此便有可能制作更加精密的电路，从而促使微电子 技术得到更进一步的发展。 这样一来，微电子学和机械电子学就成了两个相辅相成、彼此 促进、循环发展的学科。