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中国MEMS的研究与开发进程

中采网-电子资讯及技术频道      

         王立鼎  大连理工大学微系统研究中心  大连  116023
    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MEMS研发的总体概况,以及关注的热点。 
   Research and Development of MEMS in China

                   Wang Liding,Luo Yi 

(MEMS Research Center,Dalian University of Technology,Dalian 116023)
 
Abstract: MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) is a newly developing intercross subject since 1980s'.It includes energy,micro driver,micro actuator,micro sensor,micro controller and interface.MEMS can miniaturize and integrate many kind of products,so it has a widely use and very good prospect of industrialization in many fields.Significance and characteristic of MEMS,research and development of MEMS in China in the past thirteen years and interesting points have been summarized in this paper.

Key Words: MEMS;Miniaturization;Integration
1 微机电系统学科的重大意义
1.1 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。
2  中国MEMS研发的总体概况
2,1  政府和部门的立项投人
   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、国家科技部、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8105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、基金会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)。
2.2  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:
   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。
   香港地区:香港科大、中文大学等。
   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。
   据统计,按部门分布如图1所示。
2.3 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:
    微系统:微操作系统(细胞操作、微装配);微惯性测量系统(MIMU);微小管道机器人(电磁式、压电式);微流体控制系统;生化芯片(阵列芯片、微流控芯片)、微型光谱仪、微型飞行器;纳米卫星;集成微微传感器。
    微器件:1。微驱动器,微执行器(微元件-齿国化、弹簧、探针、梁;微电机一静电、压电(行波、驻波、串联臂)、电磁(旋转磁场、摇摆式);微泵-膜片泵(压电、双金属片、SMA、无阀)、电渗泵(高雅、低压)、叶轮泵、螺杆泵;微阀;微喷嘴;微夹钳一压电式、ISMA、电磁式;微齿轮减速器(齿轮付、行星);微连杆机构;微谐振器;微麦克风;2。微传感器:物理量-压力传感器(硅杯、压差、锥尖)、加速度传感器(电容、梳状、压电、力平衡)、热敏、湿敏、磁敏、声表面波、光学、光电、流量、风速;化学量-气体、生化、鲜度;3。微波器件:波分复用器、开关、天线;4。光通讯器件:光开关。
    微工艺:IC工艺(表面硅、体硅);LIGA工艺(X射线、紫外线、激光);EDM;化学三维刻蚀、微键合(静电、高温)、微组装  
小机械加工;
    微测试:微机械性能(弹性模量、摩擦磨损、强度);微运动学(运动参数:速度、加速度、角速度、角加速度);微动力学(静力矩、动力矩、固有频率);微管道流体特性
    基础理论:微摩擦学;微机械学;微运动学;微动力学(固态、液态);微传热学
换能理论;静电力学;仿真、CAD、优化、可靠性
3 中国在MEMS方面关注的几个问题
3.1 基础理论与基础技术
    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业方面进行了十余年的研究工作。由于中国内地微电子IC工业落后以及微观科学与技术的快速发展不断深入探讨MEMS的基础理论与技术就显得十分重要。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8105中的MEMS项目,都对此继续给与关注。
3.2 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。如研究微齿轮、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,服务与信息科学和生命科学的MEMS耿受到科技工作者、政府和产业界的重视,注入传感器MEMS、RF与IT MEMS、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。
3.3 实用化与产业化
从本文的统计来看,中国MEMS研究的覆盖面是很宽的,跟踪美国、日本和西欧新器件的速度是比较快的。从科研的角度来看,中国列与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。8105 MEMS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。

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