諾貝爾物理獎得主理查德•費(fèi)曼（Richard Feynman）1959 年發(fā)文指出，在微尺度上操控物體的研究還是一片空白，并預(yù)言該領(lǐng)域“將會有大量新技術(shù)和新應(yīng)用出現(xiàn)”。此后許多科學(xué)家致力于微米技術(shù)和納米技術(shù)的研究，并由此產(chǎn)生了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)。通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，微機(jī)電系統(tǒng)無疑開辟了一個嶄新的領(lǐng)域，將對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科技產(chǎn)生重大影響。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，國內(nèi)外對微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化開展了大量研究和實(shí)踐，取得了重要進(jìn)展。
一、概念和特點(diǎn)
微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS）又稱為微機(jī)械（Micro Machine）或微系統(tǒng)（Micro System），是指以集成電路等工藝批量制造的，具有毫米級尺寸和微米級分辨力的微細(xì)集成設(shè)備或系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)主要由微型傳感器、執(zhí)行器和處理電路三部分構(gòu)成。它可以采集外部的運(yùn)動、光、聲、熱、磁等自然界信號，由微傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過微處理單元處理后，由微執(zhí)行器執(zhí)行動作，與外部環(huán)境進(jìn)行“互動”。微機(jī)電技術(shù)屬于交叉技術(shù)領(lǐng)域，其與不同的領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合，可以制造出各種類型的器件，如壓力傳感器、加速器、陀螺儀、生物傳感器、微開關(guān)等等。MEMS 的出現(xiàn)開辟了全新的技術(shù)領(lǐng)域并推動了其它領(lǐng)域技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
MEMS 是目前科技界公認(rèn)最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)相比，微機(jī)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
一是尺寸小，成本低。相對于傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)，MEMS 器件尺寸非常小，且具有功耗低、靈敏度高、可陣列化等優(yōu)點(diǎn)。MEMS 的發(fā)展將極大的促進(jìn)產(chǎn)品的微型化、集成化與便攜化，成數(shù)量級的提高器件與系統(tǒng)的功能密度、信息密度與互連密度，節(jié)能、節(jié)材效果明顯。
二是應(yīng)用廣，帶動大。MEMS 在汽車電子、生物醫(yī)藥、消費(fèi)電子、航空航天、環(huán)境監(jiān)控、能源、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用（見圖1）。隨著任天堂Wii 游戲機(jī)及蘋果iPhone 手機(jī)等產(chǎn)品的推出，MEMS 在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用迅速壯大。目前MEMS 已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)全面進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)快速起步階段，對各領(lǐng)域尤其是消費(fèi)電子領(lǐng)域的發(fā)展起到了很好的推動作用。根據(jù)The Information Network 公司測算，2008 年全球MEMS 在消費(fèi)電子領(lǐng)域的市場規(guī)模已達(dá)到35 億美元，預(yù)計(jì)到2012 年可增長至71 億美元。
圖1 MEMS主要應(yīng)用領(lǐng)域
三是集成化，跨學(xué)科。MEMS 涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)；同時，微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。
需要指出的是，MEMS 技術(shù)是邁向納米級系統(tǒng)的重要技術(shù)。發(fā)展MEMS 技術(shù)一方面可以推動原子/分子組裝技術(shù)、精細(xì)加工技術(shù)的研發(fā)，為納米器件研發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面可以為微小型機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用培育市場，積累經(jīng)驗(yàn)，為今后納米器件的推廣奠定產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。
二、國外發(fā)展現(xiàn)狀
許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)高度重視 MEMS 技術(shù)的發(fā)展。美國把MEMS 作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，其技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)先全球。歐盟積極鼓勵MEMS 技術(shù)研發(fā)，制定了多個支持計(jì)劃促進(jìn)MEMS 技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。日本近年來推出了若干國家級項(xiàng)目，結(jié)合生物、納米技術(shù)等開展MEMS新應(yīng)用研究。澳大利亞、加拿大、新加坡、韓國、中國臺灣地區(qū)均紛紛設(shè)立大型科研項(xiàng)目計(jì)劃，開展MEMS 研發(fā)工作。國外MEMS 的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
一是各類應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化逐步形成。當(dāng)前，傳感MEMS 技術(shù)方面，已具備生產(chǎn)毫米級各類傳感器的能力；生物MEMS技術(shù)方面，已研制出多種臨床化驗(yàn)分析器、基因分析器及介入治療器等；光學(xué)MEMS 技術(shù)（微光機(jī)電系統(tǒng)）方面，可制造體積小成本低的可變式光衰減器、厘米級尺寸的光開關(guān)列陣等產(chǎn)品；射頻MEMS 技術(shù)方面，單片晶圓片上已具備量產(chǎn)1 萬個微麥克風(fēng)的能力。MEMS 在多領(lǐng)域尤其是消費(fèi)電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，促使其技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)規(guī)模化、批量化和加工制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。以德國為代表的LIGA（德文Lithograpie-光刻、Galvanoformung-電鑄和Abformung-鑄塑）技術(shù)，由于具有與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容及適于批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，已成為MEMS 器件的主流微加工技術(shù)。同時，MEMS 加工工藝與集成電路CMOS 生產(chǎn)工藝融合的趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)，微加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化逐步形成。結(jié)合成熟的CMOS 工藝生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品有利于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，降低成本。此方法已被美國德州儀器公司用于投影儀數(shù)字微鏡元件的生產(chǎn)。隨著MEMS 技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，這一趨勢在未來幾年內(nèi)還將持續(xù)。
二是專業(yè)創(chuàng)新公司逐步興起，代工生產(chǎn)模式發(fā)展壯大。MEMS 器件設(shè)計(jì)規(guī)則正由定制轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化。據(jù)估計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化后單個產(chǎn)品的開發(fā)周期將會由原來的5-7 年縮短至1-3 年。設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化帶動了具有專有技術(shù)的無生產(chǎn)線型（fabless）MEMS 創(chuàng)新設(shè)計(jì)公司的興起。這些公司的核心競爭力在于技術(shù)、產(chǎn)品的創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)，而產(chǎn)品的生產(chǎn)主要依賴代工或直接以研發(fā)成果為產(chǎn)品。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)、大量fabless 型態(tài)新興公司的出現(xiàn)和市場需求的升溫，極大的促進(jìn)了MEMS 代工生產(chǎn)模式的發(fā)展壯大。近年來臺積電、聯(lián)電等半導(dǎo)體代工企業(yè)正積極投資MEMS 的代工生產(chǎn)，目前臺積電已獲得美國亞德諾（ADI）的代工訂單生產(chǎn)噴墨印刷頭。另外包括日月光、矽格、菱生等后段封測企業(yè)也在積極開展MEMS 相關(guān)業(yè)務(wù)。
三是產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，各國努力打造特色產(chǎn)業(yè)。各國均出臺政策、提供資金扶持MEMS 新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)The Information Network 公司預(yù)估，2008 年全球MEMS 市場規(guī)模約為78 億美元，到2012 年預(yù)計(jì)可達(dá)154 億美元。其中美國和歐洲在產(chǎn)業(yè)化方面非常成功，目前全球MEMS主要器件的生產(chǎn)均由北美與歐洲地區(qū)IDM （ Integrated DeviceManufacturers）企業(yè)壟斷。如：光源投影機(jī)MEMS 組件領(lǐng)域由德州儀器（Texas Instruments）掌控，汽車電子領(lǐng)域由博世科技（Bosch）掌控，消費(fèi)電子領(lǐng)域意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）領(lǐng)先，而惠普（HP）等掌控打印機(jī)噴墨頭市場等。另外，各國在推進(jìn)MEMS 產(chǎn)業(yè)化時均充分考慮自身優(yōu)勢，努力打造特色產(chǎn)業(yè)。美國在發(fā)展初期側(cè)重MEMS 傳感器的研發(fā)，近幾十年成立的很多MEMS 創(chuàng)新公司成為技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐力量。歐洲公司鎖定的目標(biāo)是汽車電子領(lǐng)域，其MEMS 產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間長，專利技術(shù)成果多，未來發(fā)展前景較好。日本重點(diǎn)發(fā)展工業(yè)狹窄空間微機(jī)器人、醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠等，近幾年對新興應(yīng)用領(lǐng)域研究也在逐步加強(qiáng)。瑞士MEMS 技術(shù)主要為鐘表相關(guān)領(lǐng)域服務(wù)。
三、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
上世紀(jì)90 年代開始，國內(nèi)就通過基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、863 計(jì)劃、973 計(jì)劃支持MEMS 研發(fā)，并提出到2011 年成為全球最大的MEMS 傳感器、致動器市場的計(jì)劃。國內(nèi)MEMS 發(fā)展主要有以下特點(diǎn)：
一是“搶灘”布局不斷加速。北京、陜西和江蘇是國內(nèi)MEMS 企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)最集中的省市。北京的高校和研究所眾多，科研實(shí)力雄厚，清華大學(xué)在國內(nèi)最早開展MEMS 技術(shù)研究。陜西教育、科研實(shí)力較強(qiáng)，是我國重要的航空研發(fā)制造基地，這為其發(fā)展MEMS 產(chǎn)業(yè)的有利條件。江蘇各級政府部門對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)支持力度很大，目前蘇州市正在著力打造生物納米科技園，無錫市也正在積極建設(shè)中國微納國際創(chuàng)新園。此外重慶、山東、河北、遼寧和廣東等省市也有一定的研發(fā)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。
二是產(chǎn)品門類少，技術(shù)含量偏低。國內(nèi)MEMS 產(chǎn)品門類相對較少，主要以慣性器件和壓力傳感器為主，且多是中低端產(chǎn)品，創(chuàng)新性強(qiáng)的新器件、新系統(tǒng)鮮有出現(xiàn)。壓力傳感器和慣性傳感器是國內(nèi)的主要產(chǎn)品，生產(chǎn)單位眾多，另外在聲學(xué)傳感器、MEMS 地震檢波器、生物醫(yī)療MEMS 產(chǎn)品等方面均有公司涉及。目前，中芯國際、長電科技等芯片制造企業(yè)也開始研發(fā)基于CMOS 工藝、設(shè)備的 MEMS 技術(shù)，但主要瞄準(zhǔn)的能夠大批量生產(chǎn)的MEMS 產(chǎn)品。如中芯國際目前只是根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備列出工藝清單供MEMS 企業(yè)選擇，不能承擔(dān)特殊工藝生產(chǎn)，也不接受小批量和試制代工。
三是規(guī)模較小，技術(shù)來源單一。國內(nèi)MEMS 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步較晚，目前市場由跨國公司主導(dǎo)，本土企業(yè)規(guī)模尚小，研發(fā)實(shí)力存在一定差距。國內(nèi)企業(yè)技術(shù)來源基本為三類：一是高校、研究所及由其孵化的科技企業(yè)，如北京青鳥元芯等；二是軍工研究所等軍轉(zhuǎn)民企業(yè)，如電子24 所、13 所等；三是海外留學(xué)人員歸國創(chuàng)業(yè)，如：美新半導(dǎo)體、深迪半導(dǎo)體等。總體來說，企業(yè)的MEMS 研發(fā)大多依托高校、研究所，這兩類機(jī)構(gòu)不但承擔(dān)了相當(dāng)數(shù)量的新產(chǎn)品及制造工藝的開發(fā)，而且部分機(jī)構(gòu)還提供小批量的試制生產(chǎn)業(yè)務(wù)，如中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所就一直提供MEMS元器件代工生產(chǎn)服務(wù)。
四、推進(jìn)上海微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議
上海MEMS 產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力僅次于北京，擁有眾多的國家級研究機(jī)構(gòu)及創(chuàng)新生產(chǎn)企業(yè)。復(fù)旦大學(xué)是國內(nèi)MEMS 理論研究實(shí)力最強(qiáng)的機(jī)構(gòu)之一，壓阻傳感器研究國內(nèi)領(lǐng)先。交大微納科學(xué)技術(shù)研究院在非硅材料的MEMS 工藝研發(fā)方面國內(nèi)領(lǐng)先，在利用LIGA 技術(shù)制作高深寬比微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)、紫外深度光刻、高深寬比微電鑄和模鑄加工等方面技術(shù)積累豐富。中科院上海微系統(tǒng)所是國內(nèi)MEMS 制作設(shè)備最齊全的機(jī)構(gòu)之一，可提供各種硅基工藝代工及封裝服務(wù)。深迪半導(dǎo)體已成功開發(fā)出第一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商用MEMS 陀螺儀，打破了一直以來完全依賴進(jìn)口的局面。美新半導(dǎo)體是在美國納斯達(dá)克上市的第一家也是目前唯一一家專業(yè)從事MEMS 生產(chǎn)的企業(yè)。但是，上海MEMS 產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍存一些問題和制約：如條塊分割、力量分散，投入不足，盡管已有不少成果，但在產(chǎn)業(yè)化及產(chǎn)品質(zhì)量、性能價格比等方面與國外有較大差距。
為了抓住 MEMS 產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，搶占產(chǎn)業(yè)鏈高端，提出以下建議：
一是以 MEMS 與芯片代工業(yè)結(jié)合發(fā)展為切入點(diǎn)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前，國內(nèi)一些芯片制造、封裝代工企業(yè)已開始積極布局MEMS 代工領(lǐng)域。如中芯國際已經(jīng)開始利用天津工廠的200mm芯片生產(chǎn)線開展MEMS代工業(yè)務(wù)。上海是國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈最完整的地區(qū)之一，在產(chǎn)業(yè)能級和技術(shù)實(shí)力上都處于領(lǐng)先地位。因此，上海發(fā)展MEMS 產(chǎn)業(yè)可以和芯片代工生產(chǎn)線升級改造結(jié)合起來，將閑置產(chǎn)能改造為MEMS 器件生產(chǎn)線，打造國內(nèi)MEMS 代工生產(chǎn)基地。在形成一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模后，吸引研發(fā)、專業(yè)設(shè)計(jì)公司落戶，帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。。
二是以優(yōu)勢高校和科研機(jī)構(gòu)為依托，加快技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)早在上世紀(jì)80 年代就已經(jīng)開始開展MEMS 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)活動，但是目前MEMS 技術(shù)研發(fā)成果還多集中在高校、研究機(jī)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)化效果不明顯。中科院上海微系統(tǒng)所是國內(nèi)MEMS 領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的單位之一，已經(jīng)積累了一些產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。建議在繼續(xù)推進(jìn)MEMS 理論與技術(shù)研究的同時，可以以此類研究機(jī)構(gòu)為依托，鼓勵機(jī)構(gòu)研究人員注冊成立企業(yè)，促進(jìn)成熟成果轉(zhuǎn)移，開展獨(dú)立運(yùn)作，推動技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
三是以高新區(qū)和專業(yè)孵化器為基地，培育產(chǎn)業(yè)集群。美國近些年培育的大量中小型MEMS 創(chuàng)新公司，已成為美國MEMS 發(fā)展的支撐力量。上海應(yīng)抓住機(jī)遇，不斷優(yōu)化張江高新區(qū)的發(fā)展環(huán)境，鼓勵專業(yè)孵化器的建設(shè)，在支持大企業(yè)涉足MEMS 領(lǐng)域的同時，積極支持中小企業(yè)的發(fā)展，大量培育以MEMS 技術(shù)創(chuàng)新為主業(yè)的小型企業(yè)，同時注重結(jié)構(gòu)合理的產(chǎn)業(yè)集群培育，使上海成為國內(nèi)MEMS 技術(shù)、應(yīng)用創(chuàng)新中心。
四是以開放式合作研發(fā)平臺為紐帶，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈互動。當(dāng)前MEMS仍多由各獨(dú)立企業(yè)采用專有工藝生產(chǎn)，基于CMOS 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝仍在開發(fā)進(jìn)程當(dāng)中，尚未完全成熟，上海應(yīng)從產(chǎn)業(yè)鏈角度，鼓勵設(shè)計(jì)、制造、系統(tǒng)應(yīng)用等企業(yè)合作建立開放研發(fā)平臺，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝，加速M(fèi)EMS產(chǎn)業(yè)升級。此外通過搭建平臺促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈合作，加強(qiáng)MEMS 整體方案的開發(fā)，推進(jìn)MEMS 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
（本文轉(zhuǎn)自《科技發(fā)展研究》第 17 期）
