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 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

   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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