2　微系统与微/纳加工技术概况

高新技术的发展，要求人类的工程活动深入到原子、分子内部。在原子、分子尺度上制造结构和材料将是今后工程师关注的焦点。当今微电子技术的加工尺寸已从微米（μm）→半微米（0.5μm）→亚微米（0.35μm、0.25μm、0.18μm）→深亚微米（0.13μm、0.11μm）→纳米（90nm），正在向65nm→45nm→32nm→22nm过渡。一般认为，精度为微米级（0.1～100μm）的制造是微米制造，精度为纳米级（0.1～100nm）的制造是纳米制造。当前的微/纳加工技术可达到的最高加工精度是0.1nm，这是美国IBM公司在1990年所达到的加工精度。该公司用扫描隧道电镜（STM）技术，将Ni（110）表面吸附的Xe原子逐一搬迁，最终以35个Xe原子排成IBM三个字，每个字高5nm，Xe原子的最短距离为1nm。随着微电子技术延伸和拓展（从二维到三维）至机械领域，出现了微机电概念，即通过微电子技术与精密机械加工技术相互融合而形成的微电子与机械融为一体的系统。纳机电系统是20世纪90年代末提出的新概念，是继微机电系统后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的超小型机电一体化系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应（量子效应、界面效应和纳米尺度效应）为工作特征的器件和系统。

因此，微系统是微型化的器件或器件组合，是把电子功能与机械、光学或者其他功能相结合，集微型传感器、微型执行器、信息处理和电源等于一体的微型系统。微系统技术具有小尺寸（miniaturization）、多样化（multiplicity）、微电子（micro electronics）特征，它将信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。微系统从广义上包含了毫米、微米甚至纳米尺度的机械，但它并非单纯是宏观机械的微小化，而是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器和微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微型机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

微系统是近年来在微电子技术基础上发展起来的一种新型多学科交叉的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微系统技术的研究任务和目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能复合的微型智能系统。其研究几乎涉及自然及工程科学的所有领域。微/纳加工技术最早则是从加工精度研究的角度延伸出来的。制造业的发展对加工精度提出了越来越高的要求，传统机床的加工精度已经远远不能满足飞速发展的消费及军工领域的要求，如电子硅芯片、大规模集成电路以及对表面粗糙度要求很高的液晶面板等，于是，人们把眼光投入到精度更高的加工技术上，从最初的毫米级，到微米级，到纳米级。于是，“微/纳加工技术”这一概念应运而生。

微系统及微/纳加工技术开辟了一个全新的领域和产业。用此技术研制的五花八门的微传感器可以测量各种物理量、化学量及生物量。一些微系统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。近年来，国际上微系统的专利数正呈指数规律增长，说明微系统技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。由于微系统器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能优良、功能强大、成本低和可批量生产等传统器件无法比拟的优点，多种微系统器件已广泛用于信息工程、分析化学、航空航天、科学仪器、生物医学、汽车和国防等产业领域。自微系统与微/纳加工工艺投入应用以来，主导微系统市场的传感器已形成产业。微系统未来主要市场有汽车及工业自动控制行业中应用的压力传感器、加速度计、微陀螺仪等微系统传感器系统；通信及信息技术领域应用的各类光微系统器件、显示器及基于微系统的射频（RF）器件、喷墨打印机的微喷嘴、硬盘驱动器磁头等；军事及航空航天用各种微型传感器和执行器等；微型仪器系统如用于生化分析的芯片实验室、DNA芯片等；用于环境检测的各种气体传感器系统等；消费类产品中大量应用的中低指标微系统器件。在市场引导、科技推动、风险投资、政府介入等多重作用下，汽车微系统传感器发展迅速，现已成为相关部门争先投资开发的热点。在中高档汽车中，大约采用25～40只微系统传感器，技术上日趋成熟完善，可满足汽车在苛刻的环境下可靠性高、精度高、成本低的要求，极大地推动了电子技术在汽车上的应用。

21世纪，人们仍会不断追求条件更好且可负担的医疗保健服务、更高的生活品质和质量更好的日用消费品，并竭力应对由能源成本上涨和资源枯竭所带来的风险等巨大挑战。它们也是采用创新体系的商品扩大市场的推动力。微系统与微/纳加工技术过去和现在一直都被认为在解决上述挑战方面大有用武之地。从短期来看，微系统与微/纳加工技术不会对环境和能源成本产生重大的影响。受到当前加工技术的限制，这些技术在早期的发展阶段往往会有较高的能源成本。与此同时，相关技术一旦成熟，将会消耗更少的能源与资源，就此而言，它无疑是一项令人振奋的技术。随着创新型微系统与微/纳加工技术的发展，现在对化石燃料的依存度已经开始下降，二氧化碳的排放也随之降低，大气中氮氧化物和硫氧化物的浓度也减少了。下面是当前微系统与微/纳加工技术在环境友好方面有望大展身手的一些领域：

（1）蓄电

改进传统充电电池的效率，使之能用于运输领域来减少排放，或作为高效可再生能源的备用能源。微系统与微/纳加工技术有望用于开发超级电容器，为蓄电提供新的解决方案。

（2）热电

新型纳米材料可将废热转化为电能，因而对于那些利用燃烧作为主要供能方式的领域（如混合动力汽车）来说，这将大大促进节能。

（3）燃料电池

作为可持续氢经济的组成部分或者是基于燃料电池的高效碳氢化合物，在减少汽车尾气排放方面都大有潜力可挖，抑或作为热电联产电站，来降低排放。

（4）照明(www.daowen.com)

对于传统的白炽光源来说，LED是一种高效能的替代产品，微系统与微/纳加工技术可用来开发更多新的光源。

（5）发动机/燃料效率

采用纳米颗粒燃料添加剂能够减少柴油机的能耗并改善局部空气质量。微/纳材料也可用来改善飞机涡轮叶片的热阻性能，使得发动机可以在更高的温度下继续运转，进而提高整个发动机的效率。

（6）减重

新型高强度复合材料能够减轻材料的重量。未来的目标包括：在金属合金和塑料中掺杂纳米管来减少飞机的重量；改进橡胶配方中掺杂入轮胎的纳米颗粒；利用通过微系统与微/纳加工技术制得的汽车催化式排气净化器来优化车内燃料的燃烧过程。

当前，获得或保持领先竞争对手的优势将维持强劲的经济，提供动力以满足社会需求，而微系统与微/纳加工技术正在成为这其中的关键因素。各国政府都非常重视微系统与微/纳加工技术。它已成为世界各国投入大量资金研究的热点。从1997年到2001年，仅美国DARPA（美国国防部先进研究计划署）每年投入的研究经费就达7000万美元。美国国家科学基金从1988年起每年投入大约200万～300万美元用于微系统研究。日本、德国及英国等发达国家也极其重视推进微系统加工技术的研究。德国从1994年到1999年的微系统计划每年投资6000万美元。1993年起欧盟将各国研究机构组织起来进行微系统的联合研究，推出了EUROPRACTICE和NEXUS计划，从科研和产业化两个方面推进微系统的发展。第三世界科学院在2005年发表的报告显示，美国、日本和欧盟这三大经济实体在2005—2008年度对微系统及纳米科技相关投入分别达37亿、30亿和17亿美元以上，研究项目覆盖能源、药物、微电子工业、材料、环保等众多领域。例如，在欧盟框架计划的支持下，欧洲微/纳制造技术平台（MINAM）于2006年9月开始启动，于2008年初正式成立。MINAM致力于推动微/纳制造技术的研发与产业化，为欧洲的微/纳产品制造商及设备供应商提供技术支撑，帮助他们在关键技术领域建立和维持全球领先地位。MINAM发布的微/纳制造技术前景展望总结了其战略研究议程（SRA）的要点，确定出微/纳制造发展的新趋势，为维持和进一步增强欧洲工业在微/纳制造技术领域中的领先地位提供了未来投资和研发战略指导。据美国国家科学基金会统计和预测，2002年全球微系统及纳米技术产业市场约为450亿美元，2008年这一市场扩大到7000亿美元，2015年将超过1万亿美元。欧洲联盟委员会在一项研究报告中说，未来10年微系统及纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二产业。2010年纳米技术市场的价值达400亿英镑。欧洲微系统协会所做的NEXUS的微系统/微机电系统（MST/MEMS）市场分析报告（2004—2009年）给出了微系统与微/纳制造技术对各经济部门直接影响的量化分析以及未来趋势。研究结论认为，由于具有低制造成本、紧凑的尺寸、低重量、低能耗以及改进的智能和多功能性等一系列特性，微系统（包括MST/MEMS）传感器和制动器正在已确立的市场中巩固其地位并寻找新的应用。2004—2009年间，包括26种MST/MEMS产品在内的市场以16％的年均速度增长，从2004年的120亿美元增长到2009年的250亿美元，如图1-1所示。

图1-1　微系统应用与市场分析

根据里斯本目标，2010年欧盟每个成员国将GDP的3％投入到研发中，以使欧洲成为全球最具竞争力的地区。目前，由于其发展良好的技术创新和新技术（微、纳、光、生物）产业化开发应用，欧洲已经拥有了一定的优势。与此同时，国外各大公司也加紧了微系统产品开发的步伐。微型压力传感器于20世纪70年代进入市场，现在年产值已达十几亿美元，其代表公司为欧姆龙、Honeywell、Motorola等。ADI公司的集成加速度计是微机械与微电子集成的标志性产品，主要用于汽车防撞气囊的弹出控制，年产值超过2亿美元。ICSENSOR、DELPH、Motorola等公司也从事加速度计的生产，年总产值超过10亿美元。以TI公司为代表的DMD器件已经在投影显示系统占据很大的市场份额。微喷墨打印头、生化分析微系统已经被人们熟知，年产值超过40亿美元，并且显现出强劲的增长势头。用微系统技术制造的RF无源元件可以与系统集成，这被认为是无线通信的未来技术。微系统专利数目也随着微系统研究的升温而迅速增加，从20世纪70年代每年不到10个发展到1997年以后每年超过150个，而且还在迅速增长之中。

微系统与微/纳制造技术可以帮助企业、产业形成竞争优势。在欧洲，得益于私营部门和公共部门之间的合作，它们的快速发展提升了许多不同应用领域的欧洲公司的市场份额，促进了协作研究。需要强调的，产业界和学术界的合作在增加公司市场实力上发挥了重要作用，这种合作使得那些阻碍创新、新技术与高水平教育需求等进展的问题的解决变得更为容易。

在过去的几年中，全球各地的研究机构和大学已开始集中研究微观和纳米尺度现象、器件和系统。虽然这一领域的研究产生了微/纳制造方面的先进知识，但很显然，这些知识的产业应用将是增强这些技术未来增长的关键。目前在这些领域的大规模生产方面已经取得了进步，但微系统与微/纳制造技术的主要生产环境仍然是停留在实验室中，在企业大规模生产环境中难得一见。这就导致企业在是否采用这些技术方面犹豫不决，担心它们可能引入未知因素，影响制造链的性能与质量。就这一点而言，投资基础设施的发展，如更高的模块化、灵活性和可扩展性可能会有助于生产成本的减少，对于新生产平台成功推广至关重要。这将有助于吸引产业界的积极参与，与领先的研究实验室一起推动微/纳产品的不断升级换代。

总之，在充满生机的21世纪，信息技术、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展，必然对材料和器件提出新的要求，器件小型化、智能化、高集成、高密度和信息超快传输成为未来发展的方向。新材料和新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最具有影响力的战略研究领域，其中微系统与微/纳加工技术也必将起到关键作用。