MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))是多種學(xué)科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù),是未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。MEMS以其微型化的優(yōu)勢(shì),在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)和軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。
1 國(guó)外概況
MEMS技術(shù)自20世紀(jì)80年代末開(kāi)始受到世界各國(guó)的廣泛重視,其主要技術(shù)途徑有3種:(1)以美國(guó)為代表的、以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù);(2)以德國(guó)為代表發(fā)展起來(lái)的LIGA技術(shù);(3)以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)。
1987年,美國(guó)UC Berkeley大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微馬達(dá),引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的轟動(dòng),人們看到了電路與執(zhí)行部件集成制作的可能性,這是MEMS技術(shù)的開(kāi)端。1988年,美國(guó)的一批著名科學(xué)家提出“小機(jī)器、大機(jī)遇”,并呼吁:美國(guó)應(yīng)當(dāng)在這一重大領(lǐng)域發(fā)展中走在世界的前列。1993年,美國(guó)ADI公司采用該技術(shù)成功地將微型加速度計(jì)商品化,并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊,標(biāo)志著MEMS技術(shù)商品化的開(kāi)端。20世紀(jì)90年代,發(fā)達(dá)國(guó)家先后投巨資并設(shè)立國(guó)家重大項(xiàng)目促進(jìn)其發(fā)展。此后,MEMS技術(shù)發(fā)展迅速,特別是深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后,圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。最近,美國(guó)朗訊公司開(kāi)發(fā)的基于MEMS光開(kāi)關(guān)的路由器已經(jīng)試用,預(yù)示著MEMS發(fā)展又一高潮的來(lái)臨。目前部分器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,如微型加速度計(jì)、微型壓力傳感器、數(shù)字微鏡器件(DMD)、噴墨打印機(jī)的微噴嘴、生物芯片等,并且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。近年來(lái)國(guó)際上MEMS的專利數(shù)正呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),說(shuō)明MEMS技術(shù)全面發(fā)展和產(chǎn)業(yè)快速起步的階段已經(jīng)到來(lái)。
回顧MEMS發(fā)展進(jìn)程,國(guó)外發(fā)展MEMS的特點(diǎn)有如下4個(gè)方面。
a.國(guó)家高度重視。在初期,政府行為起主導(dǎo)作用,如1992年“美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃”把“微米級(jí)和納米級(jí)制造”列為“在經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全兩方面都至關(guān)重要的技術(shù)”。美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)(NSF)把微米/納米列為優(yōu)先支持的項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)制定的微米/納米和微系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃,對(duì)“采用與制造微電子器件相同的工藝和材料,充分發(fā)揮小型化、多元化和集成微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)和制造新型機(jī)電裝置”給予了高度的重視。日本早在1991年開(kāi)始啟動(dòng)了2.5億美元的大型研究計(jì)劃——“微機(jī)械十年計(jì)劃”。
b.企業(yè)介入、市場(chǎng)牽引。在MEMS發(fā)展初期,美國(guó)就重視牽引研究主體——大學(xué)與企業(yè)的結(jié)合。例如在MEMS的重點(diǎn)研究單位UC Berkeley成立的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator Center)就由多所大學(xué)和企業(yè)組成。ADI公司看到了微型加速度計(jì)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的巨大前景,通過(guò)引入表面犧牲層技術(shù)并加以改造,使微型加速度計(jì)的商品化獲得巨大成功。
c.重點(diǎn)領(lǐng)域明確。美國(guó)在發(fā)展初期確定軍事應(yīng)用為其主要方向,側(cè)重以慣性器件為代表的MEMS傳感器的研究;日本重點(diǎn)發(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹窄空間的微機(jī)器人、進(jìn)入人體狹窄空間的醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。歐洲則重點(diǎn)發(fā)展μTAS(Micro Total Analysis System,全微分析系統(tǒng))或LOC(Lab on Chip,芯片實(shí)驗(yàn)室)。
d.重視基礎(chǔ)技術(shù)的建設(shè)。十分重視設(shè)計(jì)、材料、加工、封裝、測(cè)試等技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)除在研究單位建立獨(dú)立的加工實(shí)驗(yàn)室外,還特別建立了專門為研究服務(wù)的加工基地,如MCNC、SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。德國(guó)也建立了 BOSCH實(shí)驗(yàn)室。
2 國(guó)內(nèi)概況
我國(guó)MEMS的研究始于20世紀(jì)90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期間得到了科技部、教育部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和原國(guó)防科工委的支持。經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展,我國(guó)在多種微型傳感器、微型執(zhí)行器和若干微系統(tǒng)樣機(jī)等方面已有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備,初步形成了幾個(gè)MEMS研究力量比較集中的地區(qū)。包括京津地區(qū),如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院電子所、信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、南開(kāi)大學(xué)等;華東地區(qū),如中科院上海冶金所、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、廈門大學(xué)等;東北地區(qū),如信息產(chǎn)業(yè)部電子49所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、大連理工大學(xué)、沈陽(yáng)儀器儀表工藝研究所等;西南地區(qū),如重慶大學(xué),信息產(chǎn)業(yè)部電子24所、44所和26所等;西北地區(qū),如西安交通大學(xué)、航空618所、航天771所等。這些因地域而組成的研究集群,已形成彼此協(xié)作、互為補(bǔ)充的關(guān)系,為我國(guó)的MEMS研究打下了良好的基礎(chǔ)。
在科研能力積累上,1996年建設(shè)的微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,使我國(guó)的MEMS加工技術(shù)研究得到較大提高,實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的MEMS加工關(guān)鍵設(shè)備,如STS深槽刻蝕機(jī)、Karlsuss雙面光刻機(jī)/鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)、可用于硅/玻璃靜電鍵合和硅/硅預(yù)鍵合的Karlsuss鍵合機(jī)、LPCVD、壓塑機(jī)等,連同配套的IC設(shè)備,如濺射臺(tái)、擴(kuò)散爐、RIE刻蝕機(jī)、PECVD、光刻機(jī)等設(shè)備,初步構(gòu)成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的MEMS加工線。這些設(shè)備結(jié)合一些分散于各研究機(jī)構(gòu)的微電子工藝線和微加工設(shè)備,組成了目前我國(guó)的MEMS加工技術(shù)基礎(chǔ)。在上述設(shè)備的基礎(chǔ)上,已開(kāi)發(fā)出具有一定水平的MEMS加工技術(shù)。其中北京大學(xué)所屬微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分部開(kāi)發(fā)出4種MEMS全套加工工藝和多種先進(jìn)的單項(xiàng)工藝,已制備出加速度計(jì)樣品,并已開(kāi)始為國(guó)內(nèi)研究MEMS的單位提供加工服務(wù)。上海交通大學(xué)所屬微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分部可以提供非硅材料的微加工服務(wù),如LIGA技術(shù)制作高深寬比微結(jié)構(gòu)的基本加工技術(shù),紫外深度光刻(UV—LIGA)、高深寬比微電鑄和模鑄加工,功能材料薄膜制備等。電子部13所研究的融硅工藝也取得了較大進(jìn)展,已制備出微型加速度計(jì)和微型陀螺樣品。
經(jīng)過(guò)10年發(fā)展,我國(guó)已在微型慣性器件和慣性測(cè)量組合、機(jī)械量微型傳感器和制動(dòng)器、微流量器件和系統(tǒng)、生物傳感器和生物芯片、微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)、硅和非硅制造工藝等方面取得一定成果?,F(xiàn)有的技術(shù)條件已初步形成MEMS設(shè)計(jì)、加工、封裝、測(cè)試的一條龍?bào)w系,為保證我國(guó)MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了較好的平臺(tái)。但是,由于歷史原因造成的條塊分割、力量分散,再加上投入嚴(yán)重不足,盡管已有不少成果,但在質(zhì)量、性能價(jià)格比及商品化等方面與國(guó)外差距還很大。
3 MEMS發(fā)展戰(zhàn)略的建議
3.1 戰(zhàn)略目標(biāo)
針對(duì)國(guó)際MEMS發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化前景,結(jié)合我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)前的核心技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略,以支撐我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)為切入點(diǎn),掌握MEMS材料、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),建立我國(guó)的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地,圍繞醫(yī)療、消費(fèi)電子、家電等行業(yè),開(kāi)發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng),推動(dòng)MEMS的可持續(xù)發(fā)展和未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的形成打下良好的基礎(chǔ)。
3.2 研究?jī)?nèi)容
a.MEMS設(shè)計(jì)方法與工具,包括CAD/CAM技術(shù)、MEMS機(jī)理及與納米材料制造的交叉技術(shù)研究等。
b.MEMS產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)的支撐關(guān)鍵技術(shù),包括加工、封裝、在線測(cè)試、工藝與制造關(guān)鍵設(shè)備等支撐技術(shù)。
c.開(kāi)發(fā)具有若干行業(yè)帶動(dòng)性的MEMS器件及微系統(tǒng),包括在醫(yī)療、消費(fèi)電子、家電等方面的廣泛應(yīng)用。
3.3 預(yù)期成果
a.掌握一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MEMS設(shè)計(jì)方法、CAD/CAM工具、工藝、加工、封裝技術(shù)、在線測(cè)試技術(shù)及裝備等關(guān)鍵技術(shù)。
b.形成支撐MEMS研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)平臺(tái),并建立具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的MEMS研發(fā)體系和MEMS設(shè)計(jì)與制造基地。
c.建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的創(chuàng)新機(jī)制,自主設(shè)計(jì)制造面向醫(yī)療、消費(fèi)電子、家電等行業(yè)的MEMS器件和微系統(tǒng),包括:加速度、壓力、慣性、氣體等微型傳感器;MEMS諧振器、MEMS開(kāi)關(guān)、微閥、微泵、微噴等微型執(zhí)行器;人體內(nèi)腔道診療微系統(tǒng)等。
3.4 運(yùn)行機(jī)制
a.集中力量,統(tǒng)一指揮。打破部門、地區(qū)的界限,集中優(yōu)勢(shì)力量確保計(jì)劃的實(shí)施,在落實(shí)任務(wù)和經(jīng)費(fèi)分配時(shí)實(shí)行招標(biāo)或擇優(yōu)委托,把任務(wù)落實(shí)到確有優(yōu)勢(shì)的單位和專家集體,并重點(diǎn)在研究單位相對(duì)集中的地區(qū)建設(shè)若干個(gè)各具特色的材料、設(shè)計(jì)、工藝、裝備與制造基地,形成MEMS先進(jìn)制造加工基地網(wǎng),避免過(guò)去各單位重復(fù)研究、分散立項(xiàng)的弊端。經(jīng)費(fèi)專款專用,在人、財(cái)、物上集中力量統(tǒng)一指揮,充分發(fā)揮有限資源的作用。
b.創(chuàng)新機(jī)制。MEMS基礎(chǔ)研究、工藝研究、裝備研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化等諸多環(huán)節(jié)要有機(jī)結(jié)合,防止科研與市場(chǎng)脫節(jié)、工藝與裝備脫節(jié);采取政府導(dǎo)向、“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合、市場(chǎng)化運(yùn)作的方針,以多種形式吸引地方、企業(yè)共同投資。
c.引進(jìn)人才,加強(qiáng)合作。把人才作為MEMS研發(fā)的關(guān)鍵因素之一,通過(guò)多種機(jī)制和特惠政策支持,吸引國(guó)內(nèi)外MEMS研發(fā)的高層次人才。積極開(kāi)展MEMS的國(guó)際交流合作,提高我國(guó)MEMS研究的起點(diǎn)。
d.跨越發(fā)展。在MEMS設(shè)計(jì)、工藝、制造裝備等方面,鼓勵(lì)創(chuàng)新,開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù),實(shí)現(xiàn)MEMS的跨越發(fā)展。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)“863”計(jì)劃MEMS重大專項(xiàng)的實(shí)施,將在基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、工藝與裝備、應(yīng)用系統(tǒng)等幾個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)若干重點(diǎn)技術(shù)的突破,擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),具有MEMS設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、工程應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的能力,培養(yǎng)出一支高素質(zhì)的MEMS人才隊(duì)伍,建立和完善我國(guó)MEMS的技術(shù)創(chuàng)新體系。在MEMS的研究與開(kāi)發(fā)方面取得具有顯示度的研究成果,在國(guó)際上占領(lǐng)一席之地。在壓力傳感器、加速度計(jì)、氣體分析、化學(xué)成分分析傳感器等器件方面,通過(guò)小試、中試促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化,在汽車、家電、生物化學(xué)及醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)控制、微環(huán)保儀器、機(jī)電消費(fèi)類產(chǎn)品、武器裝備等方面占領(lǐng)一定的市場(chǎng)份額,取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。