MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考

2008-05-19 16:38:50来源: 互联网

   摘要: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,国家科技部拟将MEMS确定为“十五”863计划重大专项。针对这一形势,在前期MEMS发展战略研究的基础上,介绍了MEMS国内外发展状况,并对我国MEMS发展的总体目标、主要研究内容、预期成果和运行机制等问题进行了探讨,以期为开展MEMS的研究与开发提供参考。

   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。

 

关键字:微型加速度计  MEMS器件  微流量  微型工厂  文献标识码  惯性测量组合  压塑机

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0519/article_170.html
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