MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考

    MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）是多种学科交叉融合并具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。MEMS以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。

　　1 国外概况

　　MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视，其主要技术途径有3种：(1)以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；(2)以德国为代表发展起来的LIGA技术；(3)以日本为代表发展的精密加工技术。

　　1987年，美国UC Berkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达，引起国际学术界的轰动，人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性，这是MEMS技术的开端。1988年，美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”，并呼吁：美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列。1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。20世纪90年代，发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后，MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近，美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。

　　回顾MEMS发展进程，国外发展MEMS的特点有如下4个方面。

　　a.国家高度重视。在初期，政府行为起主导作用，如1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会（NSF）把微米／纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署（DARPA）制定的微米／纳米和微系统发展计划，对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势，设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本早在1991年开始启动了2.5亿美元的大型研究计划——“微机械十年计划”。

　　b.企业介入、市场牵引。在MEMS发展初期，美国就重视牵引研究主体——大学与企业的结合。例如在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立的BSAC（Berkeley Sensor and Actuator Center）就由多所大学和企业组成。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景，通过引入表面牺牲层技术并加以改造，使微型加速度计的商品化获得巨大成功。

　　c.重点领域明确。美国在发展初期确定军事应用为其主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究；日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。欧洲则重点发展μTAS（Micro Total Analysis System，全微分析系统）或LOC(Lab on Chip，芯片实验室)。

　　d.重视基础技术的建设。十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发展。美国除在研究单位建立独立的加工实验室外，还特别建立了专门为研究服务的加工基地，如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了 BOSCH实验室。

　　2 国内概况

　　我国MEMS的研究始于20世纪90年代初，起步并不晚，在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。经过10年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。包括京津地区，如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等；华东地区，如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等；东北地区，如信息产业部电子49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等；西南地区，如重庆大学，信息产业部电子24所、44所和26所等；西北地区，如西安交通大学、航空618所、航天771所等。这些因地域而组成的研究集群，已形成彼此协作、互为补充的关系，为我国的MEMS研究打下了良好的基础。

　　在科研能力积累上，1996年建设的微米／纳米加工技术国家级重点实验室，使我国的MEMS加工技术研究得到较大提高，实验室购置了当时国际上最先进的MEMS加工关键设备，如STS深槽刻蚀机、Karlsuss双面光刻机／键合对准机、可用于硅／玻璃静电键合和硅／硅预键合的Karlsuss键合机、LPCVD、压塑机等，连同配套的IC设备，如溅射台、扩散炉、RIE刻蚀机、PECVD、光刻机等设备，初步构成了具有国际先进水平的MEMS加工线。这些设备结合一些分散于各研究机构的微电子工艺线和微加工设备，组成了目前我国的MEMS加工技术基础。在上述设备的基础上，已开发出具有一定水平的MEMS加工技术。其中北京大学所属微米／纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺，已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS的单位提供加工服务。上海交通大学所属微米／纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务，如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术，紫外深度光刻(UV—LIGA)、高深宽比微电铸和模铸加工，功能材料薄膜制备等。电子部13所研究的融硅工艺也取得了较大进展，已制备出微型加速度计和微型陀螺样品。

　　经过10年发展，我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系，为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是，由于历史原因造成的条块分割、力量分散，再加上投入严重不足，尽管已有不少成果，但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。

　　3 MEMS发展战略的建议

　　3.1 战略目标

　　针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合我国社会经济发展的需要和国家竞争前的核心技术发展战略，以支撑我国MEMS产业化发展的应用基础为切入点，掌握MEMS材料、设计、制造、检测、工艺、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的关键技术，建立我国的MEMS研发体系和产业化基地，围绕医疗、消费电子、家电等行业，开发出若干小批量、多品种、高质量MEMS器件及微系统，推动MEMS的可持续发展和未来产业化的形成打下良好的基础。

　　3.2 研究内容

　　a.MEMS设计方法与工具，包括CAD／CAM技术、MEMS机理及与纳米材料制造的交叉技术研究等。

　　b.MEMS产业化基础的支撑关键技术，包括加工、封装、在线测试、工艺与制造关键设备等支撑技术。

　　c.开发具有若干行业带动性的MEMS器件及微系统，包括在医疗、消费电子、家电等方面的广泛应用。

　　3.3 预期成果

　　a.掌握一批具有自主知识产权的MEMS设计方法、CAD/CAM工具、工艺、加工、封装技术、在线测试技术及装备等关键技术。

　　b.形成支撑MEMS研究和产业化发展的技术平台，并建立具有国际竞争力的MEMS研发体系和MEMS设计与制造基地。

　　c.建立产学研联合的创新机制，自主设计制造面向医疗、消费电子、家电等行业的MEMS器件和微系统，包括：加速度、压力、惯性、气体等微型传感器；MEMS谐振器、MEMS开关、微阀、微泵、微喷等微型执行器；人体内腔道诊疗微系统等。

　　3.4 运行机制

　　a.集中力量，统一指挥。打破部门、地区的界限，集中优势力量确保计划的实施，在落实任务和经费分配时实行招标或择优委托，把任务落实到确有优势的单位和专家集体，并重点在研究单位相对集中的地区建设若干个各具特色的材料、设计、工艺、装备与制造基地，形成MEMS先进制造加工基地网，避免过去各单位重复研究、分散立项的弊端。经费专款专用，在人、财、物上集中力量统一指挥，充分发挥有限资源的作用。

　　b.创新机制。MEMS基础研究、工艺研究、装备研发、产业化等诸多环节要有机结合，防止科研与市场脱节、工艺与装备脱节；采取政府导向、“产学研”联合、市场化运作的方针，以多种形式吸引地方、企业共同投资。

　　c.引进人才，加强合作。把人才作为MEMS研发的关键因素之一，通过多种机制和特惠政策支持，吸引国内外MEMS研发的高层次人才。积极开展MEMS的国际交流合作，提高我国MEMS研究的起点。

　　d.跨越发展。在MEMS设计、工艺、制造装备等方面，鼓励创新，开发具有自主知识产权的技术，实现MEMS的跨越发展。

　　4 结束语

　　通过“863”计划MEMS重大专项的实施，将在基础研究、技术攻关、工艺与装备、应用系统等几个层面上实现若干重点技术的突破，拥有一批具有自主知识产权的关键技术，具有MEMS设计、开发、工程应用和产业化的能力，培养出一支高素质的MEMS人才队伍，建立和完善我国MEMS的技术创新体系。在MEMS的研究与开发方面取得具有显示度的研究成果，在国际上占领一席之地。在压力传感器、加速度计、气体分析、化学成分分析传感器等器件方面，通过小试、中试促进产业化，在汽车、家电、生物化学及医疗、工业自动控制、微环保仪器、机电消费类产品、武器装备等方面占领一定的市场份额，取得显著的社会效益和经济效益。