行业动态

中国MEMS的研究与开发进程

2014/1/7 16:01:36

摘要
微机电系统 (Micro Electro Mechanical Systems) 是 80 年代发展起来的新兴交叉学科 ,其系统包括能源、微驱动器、微执行器、微传感器、微控制器以及与外界的接口等。由于该系统能够实现各类产品的微型化、集成化与便携化 ,因而在天上、地面和海洋的诸多领域有广泛的应用与产业前景。本文概括地介绍微机电系统学科的重大意义，13年来中国MEM S研发的总体概况，以及关注的热点。
微机电系统学科的重大意义
微机电系统学科内涵、重大意义
微机电系统(MEMS)是指适于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。MEMS是多学科交叉的前沿研究领域，它涉及电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科与技术。MEMS广义上包含了微小型和微米机械。自1987年7月一个新兴交叉学科—MEMS诞生以来,为当今的信息时代增添了新的色彩。它不仅具有微电子的信息获取与处理的功能，而且兼有动作信息的执行功能。它囊括声、光、热、力、电、磁、化学、生物等传感方式,加之微能源、微驱动、微执行、微处理系统的综合,组成千差万别的可实用化、产业化的微型集成器件与系统。微机电系统的发展将极大地促进各类产品的微型化、集成化与便携化、成数量级地提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度地节能、节材。它将广泛地用于国防、航空、航天、生物医学、制造业、交通、通信、农业、环保以及家庭。MEMS技术引起了世界各国科学界、产业部门和政府部门的高度重视,被列入各国高技术发展规划,已经成为当今科技热点之一。展望21世纪,MEMS也会像20世纪的微电子技术给世界带来的影响那样,它的发展将可能引发一场新的产业革命。微机电系统的出现,对于发展中的世界各国都是一次重大的历史机遇。中国开展MEMS研究工作晚于发达国家,但由于MEMS在21世纪将形成国际性的高技术市场,所以中国必须后起直追,突破若干关键技术,迎头赶上。
中国MEMS研发的总体概况
政府和部门的立项投入
中国的MEMS研究始于1989年,在国家“八五”、“九五”计划期间,得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院和总装备部的积极支持,经费总投入约为1.5亿人民币。“十五”期间,MEMS正式列入863计划中的重大专项,加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入,预计总经费可达3亿人民币以上。这就是说,“十五”期间在MEMS方面的经费投入是“八五”、“九五”期间经费总和的两倍(港台未统计在内)。
研发的分布地区和单位
中国内地MEMS的研发单位主要集中在华北、华东和东北三个地区,还有西南地区的重庆和西北地区的西安等。初步统计,不同层次的内地研发单位共有60余个。如下：
 华北地区:清华大学、北京大学、中科院电子所、石家庄13所、中科院力学所等;
 华东地区:中科院上海微系统与信息技术所、上海交大、上海大学、东南大学、浙江大学、厦门大学、中国科大、南京55所等;
 东北地区:大连理工大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨49所、中科院长春光机所、沈阳仪器仪表工艺所、东北大学等;
 西南地区:重庆大学、重庆微系统科技股份有限公司等;西北地区:西安交大、航空618所等;
 内地其它单位还有:解放军总装备部、中科院半导体所、中科院高能物理所、北京理工大学、北京航空航天大学、南开大学、天津大学、华北工学院、复旦大学、华东师范大学、中科院上海光机所、南京航空航天大学、中科院合肥智能机械所、黑龙江大学、沈阳工业大学、沈阳47所、长春科技大学、重庆24所、重庆26所、重庆44所、中科院成都光电技术所、中国工程物理院电子所、成都电子科技大学、西北工业大学、西安电子科技大学、广东工业大学、武汉科技大学、河北科技大学、四川大学、航天集团16所等。
 中国香港地区:香港科大、中文大学等。
 中国台湾地区:台湾大学、清华大学、交通大学、成功大学、新竹工业园机械所等。
中国内地MEMS的研发内容
中国内地已经完成的和正在进行的MEMS研发内容按系统、器件、工艺、测试和基础理论分类如下:

中国在MEMS方面关注的几个问题
基础理论与基础技术
MEMS的基础理论主要包括：微摩擦学、微机械学、微运动学、微动力学、微传热学、静电力学等等。
在许多自然科学基金项目、攀登计划B项目中,已经在MEMS微尺度效应下的介观物理和细观力学等基础理论和各种微细加工工艺方面进行了十余年的研究工作。由于中国内地微电子IC工艺落后以及微观科学与技术的快速发展,不断深入探索MEMS的基础理论和基础技术问题就显得十分重要。MEMS器件优异的特性与微尺度效应有关,MEMS发展成产业没有好的工艺基础不行,这就需要人们必须进一步关注基础理论与基础技术。纳米技术与MEMS的结合,可能产生创新结构与特性,这也是基础理论和基础技术研究的一个侧面。一些重点、重大基金,甚至是863中的MEMS项目,都对此继续给予关注。
器件与系统
MEMS研究的初期阶段,许多人着眼于机械器件的小型化、微型化技术。如研制微齿轮、微电机、微泵等等。随着人们对21世纪科技发展总趋势的认识,服务于信息科学和生命科学的MEMS更受到科技工作者、政府和产业界的重视,诸如传感MEMS、RF与ITMEMS、生物MEMS。
器件与系统的集成技术(微结构与电路的集成设计、集成制造)已经有人在做,首先是表面硅工艺和CMOS电路的集成化。在传感MEMS方面,集成技术会发展很快。这些技术和半导体集成化芯片系统(SOC)技术的发展紧密相连。
实用化与产业化
中国MEMS研究的覆盖面是很宽的,跟踪美国、日本和西欧新器件研制的速度也是比较快的。从科研的角度来看,中国列于国际排名的前十位之中。然而,中国MEMS的发展存在严重的缺陷。即中国内地的MEMS多集中在高校和非产业化的研究所,且研制的器件与系统大多数没有达到产前样机的水平。
健康地发展中国的MEMS,必须有大量的产业部门参与和投入。没有这一条,中国的MEMS就不能达到实用化和产业化。863MEMS专项,明确要求企业介入或牵头,它为中国MEMS的实用化与产业化带来了希望。