5.3　我国微系统与微/纳加工技术进展

5.3.1　人才培养

我国微系统技术的研究队伍正逐步扩大，据不完全统计，全国已有120多个单位开展MEMS研发，在新原理微器件、通用微器件以及初步应用等方面取得了较大的进展。目前我国微系统研究单位分布如图1-8所示。

图1-8　国内微系统研究单位分布

这些研究单位主要分布如下：

●华北地区　清华大学、北京大学、中科院电子所、中科院声学所、中电集团13所、中科院力学所、中科院半导体所、中科院高能物理所、中科院微电子所、中科院电工所、中科院化学所、解放军总装备部、北京理工大学、北京航空航天大学、南开大学、天津大学、中北大学、北京工业大学、北京博奥生物芯片有限公司、北京创威纳科技公司以及河北科技大学等。

●华东地区　中科院上海微系统与信息技术所、上海交通大学、东南大学、浙江大学、厦门大学、中国科技大学、中电集团55所、复旦大学、华东师范大学、上海大学、中科院上海光机所、南京航空航天大学、南京理工大学、苏州大学、中科院合肥智能机械所以及生物芯片上海国家工程研究中心等。

●东北地区　大连理工大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、中电集团49所、中科院长春光机所、沈阳仪表研究院、东北大学、黑龙江大学、沈阳工业大学、东北微电子研究所（47所）、中科院大连化物所以及长春科技大学等。

●西南地区　重庆大学、重庆微系统科技股份有限公司、中电集团24所、中电集团26所、中电集团44所、中科院成都光电技术所、中国工程物理院电子所、成都电子科技大学和四川大学等。

●西北地区　西安交通大学、航空工业总公司618所，西北工业大学、西安电子科技大学和航天科技集团771所等。

●中南地区　华中科技大学、国防科技大学、中南大学、广东工业大学、武汉大学和武汉科技大学等。

●香港地区　香港科技大学、香港中文大学等。

●中国台湾地区　台湾大学、台湾清华大学、交通大学、成功大学以及新竹工业园机械所等。

国内在微/纳米制造方面已成立了3个专业学会——中国微米纳米技术学会（一级学会）、中国机械工程学会微/纳米制造技术分会、中国仪器仪表学会微器件与系统技术学会。

5.3.2　理论研究进展

为了掌握微系统设计、制造、检测、工艺、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的关键技术，建立我国的研发体系和产业化基地，并围绕医疗、消费电子、家电等行业，开发出若干小批量、多品种、高质量微系统器件及微系统，推动微系统技术的可持续发展和未来产业化的形成，我国政府和科技部门结合国际微系统发展趋势和我国社会经济发展的需要、微系统发展的实际情况，以支撑我国微系统产业化发展的应用基础为切入点，重点开展了理论、设计、工艺到系统的研究工作。在微/纳制造基础理论方面主要取得了以下进展：

1.微构件力学性能

微机械构件的弹性模量、断裂强度及疲劳特性等力学性能参数是微机电系统设计的基础数据。中国科学院力学所、西安交通大学、上海微系统与信息技术研究所、中北大学、天津大学、大连理工大学等在微构件机械特性测试方面进行了较多的工作。目前这方面进一步的研究工作正在进行中。一方面需要一个通用的微构件力学性能参数数据库进行微机电系统的设计和功能分析；另一方面希望针对常见的微器件结构类型开发集成在线测试结构进行微构件的力学性能“片上”测试，尤其是集成“片上”测试的工作需要进一步加强。

2.微/纳摩擦磨损及粘附行为

摩擦问题是微/纳米系统中运动结构设计和制造的主要困难之一，近年来研究微摩擦机理及减摩策略成为重点。粘着或粘附是造成微机电系统加工和运行失败的一个主要因素，研究粘着机制为发展合理的防粘附策略提供理论基础成为一个重要目标。为此清华大学摩擦学国家重点实验室进行了卓有成效的工作。他们从理论上说明了界面摩擦中原子不稳定跳动发生的原因、条件和能量耗散机制，研制出芯片式微摩擦测试仪。对原子级光滑的云母表面“趋近—分离”过程中的粘着动力学行为进行了试验，发现开启力随接触次数增加略有下降，介质存在会使开启力大大增加，同性电荷反而使开启力增大，以及异性电荷试样的开启力明显高于同性电试样等试验规律和现象。

为了寻找和制作能够改善微构件摩擦状况、抗粘附的改性膜，大连理工大学微系统中心和清华大学摩擦学国家重点实验室合作进行了研究，首次探讨了类金刚石（Diamond-like carbon，DLC）膜在解决用平面硅工艺制备MEMS典型微构件——微悬臂梁粘附问题的作用，对解决MEMS梁粘附问题有很好的作用。

3.典型微流体器件输运特性

微流体器件是微/纳系统的重要分支。当流体通道小至一定程度时，其机理和外在表现与宏观流体有许多差异。近年来微流体已成为基础研究的热点。我国开展微流体方面研究的单位主要有清华大学、中科院力学所、中国科技大学、浙江大学以及大连理工大学等。中科院力学所对微米尺度的通道内流体流动特性进行了深入试验研究，发现高压条件下3～10μm直径的微管道液体流动出现了偏离Hagen-Poiseuille流动规律的倾向，认为压力对液体黏性的影响是主要因素，提出了量纲—阻力系数和流量的修正公式，并将微尺度流动引入流体力学参量的试验测量，提出了微量液体黏度仪的设计思想。浙江大学针对微流体全流场测试需求，发展了短波段滤光技术，建立了Micro PIV测试设备，用于测量10μm以上管道内流体流动特性。大连理工大学针对微流控电泳芯片，对片上电泳微流体输运现象进行了研究。他们结合有限体积法、贴体网格生成和高阶界面离散等方法，建立能计算多尺度和多物理场耦合的微流体计算平台，对复杂通道内的电泳分离进行了数值计算；建立微流体动态测试平台，分析了测试平台主要技术指标和性能，利用该平台，可进行微流体扩散、电泳分离控制、电渗流测量等微流体试验。

4.拓扑优化技术在微/纳结构设计中的应用

在结构型微/纳器件的设计中，拓扑优化为微结构中材料分布的确定提供了一个很好的解决思路。针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式问题，大连理工大学提出了一种变节点密度法，并将该方法应用于柔性微结构的拓扑优化设计，完成了用于微装配的电热驱动微夹钳的结构概念设计，得到了多种新的一体化MEMS尺度电热微夹钳。

5.微传热学的研究进展

在微尺度领域，特征尺寸的不断减小带来了不少新的理论和技术问题，微尺度传热学就是其中之一。微尺度传热学与“介观”物理、“细观”力学、纳米材料科学等一起，逐渐形成了微尺度的理论体系。近年来，对微尺度传热学（含声子传热学），以清华大学、大连理工大学、浙江大学等为代表的研究单位，从理论建模、计算机数值模拟、声、热、力耦合以及试验技术等方面进行了研究和探索，对毛细微槽内三维流动相变强化传热机理、微通道内低速气体流动传热的DSMC-NS耦合算法、微/纳尺度孔隙结构内传热传质机理、采用热边界层中断概念强化硅基微通道传热、两相歧管式微通道的均热热沉气液两相流流动与传热特性、微PCR芯片中的传热、多孔支撑微结构中反应气的传热特性等进行了深入研究，发现了很多微槽、微孔、微型热管、微型毛细泵环、微器件和微系统等的内部传热特性和规律，对设计优化各种微机电系统有很重要的指导意义。

5.3.3　微系统设计与微/纳加工工艺研究进展

近年来我国科技部、教育部、国防科工委等部委在微/纳系统关键设计与加工技术装备上持续投入，在我国形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区，并且突破了若干关键技术，加工能力和成品率得到很大的提高，为国内微/纳系统研发提供了良好的服务平台。微系统设计与加工工艺研究方面主要取得了以下进展。

1.设计方法

东南大学、北京大学和西北工业大学针对目前商用MEMS设计软件中制造模块的不足，重点开展了工艺模型建模、模拟与验证、工艺与封装材料特性数据库等方面的研究。开发出MEMS表面加工模型模拟与IP库、ICP加工模型模拟与IP库、热键合技术模型模拟与IP库、静电技术模型模拟与IP库、封装材料特性测试及数据库等，并将测试结构IP库、ICP加工IP库集成到了软件IN TELLISUITE中，同时将ICP加工IP库、硅各向异性腐蚀IP库、表面加工IP库、静电键合IP库集成到自行开发的集成设计平台中。

2.硅基MEMS制造工艺(www.daowen.com)

通过在中科院上海微系统所、北京大学、中电科技集团13所、中电科技集团24所和中电科技集团55所重点建立5个MEMS加工平台，解决了MEMS表面微机械加工技术、体硅微机械加工技术、键合技术、低应力多层薄膜淀积技术以及互补性氧化金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）MEMS加工的主要技术问题，提高了加工工艺的重复性、一致性，基本形成了MEMS分类制造平台，对提高我国MEMS的研究与开发水平，促进产业化进程发挥了重要的作用，工艺流程及规范在网上发布，初步解决了MEMS集成化的关键技术。

3.非硅MEMS制造工艺

开展了紫外光刻电铸（ultraviolet-lithographie galanoformung和abformung）、聚合物微结构热压成形、激光微加工及交叉融合的非硅加工技术的研究。

大连理工大学、北京航空航天大学和北京工业大学等单位联合研制成功具有自主知识产权的聚合物微流控芯片通道成形与自动对准装配系统。针对热压成形金属模具的需求，在改进UV-LIGA工艺的基础上，自行研制开发了金属微模具的“无背板生长法”工艺。通过大量热压键合试验研究，开发出了聚合物微流控芯片热压键合工艺。针对微流控芯片加工的要求，应用激光微加工进行芯片储液池通孔、芯片标记与修边等加工，建立了微流控芯片统一的质量检测方法和质量管理体系，建立了微流控芯片制作精度的等级和标准。所制备的微流控芯片片内不一致性小于5％，片间不一致性小于8％，符合生化分析的要求。

上海交通大学研究了UV-LIGA和深刻蚀电铸（Deepetching Electroforming Microreplication，DEM）技术的标准加工工艺，解决了X-射线掩膜制备、SU-8台阶微结构制备、硅深层刻蚀与电铸工艺结合等关键技术，开发出多层复杂金属三维微结构加工工艺。光刻胶深宽比达到20∶1，金属微结构深宽比达到15∶1，复制的塑料微结构深宽比达到10∶1。

厦门大学开展了约束刻蚀剂层技术（Confined Etchant Layer Technique，CELT）的研究工作。该技术通过电化学方法和IC工艺相结合，不仅适用于导体，也适用于半导体和绝缘体的复杂三维立体结构加工，已成功地在Si、GaAs、Cu等材料上加工出复杂三维立体结构，用CELT技术在GaAs表面上刻蚀出与模板互补的精细结构图形。

5.3.4　微/纳器件与微/纳系统的研究进展

1.物理量微传感器

物理量传感器在武器装备、石油化工、汽车等领域有广泛需求，而许多应用场合要求传感器体积小、灵敏度高，能工作在恶劣的高温、高湿、高冲击环境中。与传统传感器结构相比，采用微/纳技术制造的物理量微传感器更容易满足上述需求。我国重点开展了压力微传感器、惯性微传感器和微流体传感器等方面的研究。

西安交通大学利用单晶硅压阻效应，研制出系列化耐瞬时高温冲击的高温压力传感器、硅杯结构耐高温压力传感器和电容式差压传感器，并实现了小批量生产，在胜利油田等30多家应用近万只。上海飞恩公司等单位联合研制出一系列用于监测汽车运行状态的传感器，部分器件在奇瑞汽车上进行了整车测试和台架测试。清华大学研制的铁电微麦克风和超声频段声传感器达到实用化，并实现了小批量生产和应用示范。

气象传感器及其便携式仪器、电场传感器在环境检测方面有广阔的应用前景。东南大学采用CMOS工艺和MEMS后处理技术，研制出30套便携式气象检测仪，包括风速、风向、温度、湿度和气压微传感器等芯片。中科院电子所研制出静电梳齿式和热激励式微型电场传感器，实现了较低电压下的大振幅振动测定，并已在探空系统中试用。

上海微系统研究所等单位对微加速度计进行了研究，开发了基于微加速度计原理的地震勘探检波器。与石油勘探部门联合进行的多次野外试验表明，该检波器在精细勘探方面具有良好的应用前景。另外，上海微系统研究所研制的高冲击微加速度传感器的阻尼特性、频响和抗冲击均达到实用化程度，在武器系统的应用上取得突破，对加快我国武器装备更新换代具有重要意义。

2.微执行器件与系统

对微执行器的研究是微/纳系统的重要方向，它涵盖了微射频器件、微机器人、微飞行器、微流体驱动器件和微光学器件等方面。

微射频器件在军事和民用方面有着巨大潜力。清华大学制作了螺旋式射频（Radio Frequency，RF）MEMS开关和斜拉梁式RF MEMS开关，有效降低了开关的“关”态谐振频率。中国科学院电子学研究所研制了高电容率的电容式RF MEMS开关，利用在绝缘层上覆盖金属板技术降低“开”状态电容值，提高了RF MEMS开关电容率。

在微机器人方面，哈尔滨工业大学研制了一种面向微操作的无线控制的微型机器人，机器人所有驱动电路均集成到本体内，采用锂电池供电，通过蓝牙模块和图像处理实施系统通信，可以用于全方位的精密移动。他们还研制了纳米操作机器人。在微型飞行器方面，清华大学成功研制了直径为25cm内燃机驱动的盘形飞机。西北工业大学根据飞行动物扑翼飞行的规律，研究了扑翼飞行器的设计方法，并制造了质量约16g的可飞微扑翼飞行器。西北工业大学还研制成功了一种四旋翼微型飞行器，通过调整电动机转速控制飞行姿态。

南京理工大学基于微流体数字化技术研制的数字化微流体器件既无可动件又无嵌入式微电路，集驱动—控制—扰动三功能于一体，能实现各种液体和粉体的数字化微流动，流动稳定性好、分辨率达飞升级，有望在此基础上发展出数字化微流体器件。吉林大学研制了一种微型薄膜阀宽频压电驱动微型泵，适用于内置式或便携式药品输送系统。清华大学研制出了三明治结构的介质上电润湿（Electro Wetting-on-Dielectrics，EWOD）液滴发生器，在35V电压下得到了包围在硅油中的水液滴。

3.微/纳生化传感与分析

微/纳生化传感与分析研究包括药物筛选芯片、蛋白质芯片、单细胞分析芯片等微全分析系统，纳米声波生物传感器、纳米光学生物传感器、纳米磁性生物传感器、纳米电化学传感器等器件与相关技术。

在器件研究方面，取得了一系列新原理、新方法和新结构成果。浙江大学建立了新颖的微流控系统进样和试样前处理方法。长春应化所成功研制了化学发光检测器等微型化装置，还实现了利用重力驱动的细胞检测分选微流控系统。大连化学物理研究所构建了微型酶芯片反应器和基于介孔材料固定酶的酶反应器芯片。东北大学建立正交结构芯片激光诱导荧光检测系统。清华大学则针对多种检测原理微型化进行了研究。武汉大学研究了纳米电极监测囊胞释放问题，发现了神经细胞囊胞释放的新机理。

在系统集成技术与应用方面，中科院电子所和北京怡成生物电子技术有限公司等攻克了血糖、乳酸、胆固醇传感器的多项实用化技术，实现全血分析微系统及配套的批量生产，推出多功能全血生化检测微系统，填补了我国在全血微系统检测领域的空白。上海交通大学等研制了核心为微型电子胶囊的人体消化道生理参数检测微系统，已在16家医院进行了60多例人体临床试验。中科院力学所成功研制出蛋白质芯片生物传感器系统，已成功完成乙肝五项指标同时检测、肿瘤标志物检测、SARS抗体药物鉴定等多项应用试验。重庆金山科技公司等研制了人体消化道药物定点释放微系统，解决了微流体部件集成关键技术。重庆大学、长春光机所等开展了基于MEMS技术的微型光谱仪和微型生化分析仪方面的研究，完成肝功能、肾功能、血脂等37种检测项目，并在30余家单位示范应用，已进入产业化开发阶段。上海微系统所研制了尿蛋白检测分析微系统，解决了系统设计与制造、稳定性及电气隔离等关键技术，完成了500多例临床应用，并获得浙江省医疗仪器产品注册证。

在有毒有害气体检测方面，中电科技49所开发出以微/纳技术为核心的易燃易爆气体微检测仪，可以用于测量CO和CH₄气体，与城市能源检测、煤矿开采、电气设备等领域多家单位达成合作意向。中国国际海运集装箱股份有限公司等单位将多MEMS传感器进行了集成，用于测量运输车运行状态和危险品泄漏情况，并结合GPS技术，实现全球定位和远程检测报警，其关键部件已通过防爆认证，完成3000 km公路运行试验。

4.微能源

便携电子设备的飞速发展对便携式电源的能量密度提出了更高的要求，而采用微细加工技术制造微能源装置，可以大幅度减小供能装置尺寸，为发展高能量密度便携电源提供有力工具。微能源装置的研究是目前能源领域与微/纳领域的交叉研究热点，近年有望在实用化方面取得重大突破。我国清华大学、大连化学物理研究所、上海交通大学、上海微系统所、大连理工大学、重庆大学和西北工业大学等正积极研制各种可用于各类便携设备的微型燃料电池，已开发出甲醇微型燃料电池、微型质子交换膜燃料电池等微能源样机。放射性同位素电池是利用放射性同位素在衰变时释放的能量而制备的电池，由于其具备自身功率小、寿命长、稳定性好等特点，使得微/纳系统技术的应用成为可能。西北工业大学和大连理工大学等研究单位已经开始着手这方面研究。浙江大学和江苏大学则从燃烧的角度研究了微型燃烧发动机机理和实现技术。

5.3.5　结　论

（1）中国微/纳米技术的发展已步入了一个健康的轨道，已经从“能看不能动，能动不能用”，走向实用化与产业化。

（2）迎合21世纪科学技术发展的主流，信息MEMS/NEMS和生物医学MEMS/NEMS得到了优先发展，传感技术在巩固国防中发挥了作用。

（3）微/纳米器件的制造工艺瓶颈问题有所缓解，但仍有待加强。微系统设计与工艺软件仍被外国所占据，有待开发中国自己的软件。

（4）微/纳米技术研究中，有关基本理论的研究明显滞后，多物理场跨尺度耦合问题的研究仍是一个难点，微/纳尺度下尺度效应的机理性揭示还远远不够。

（5）微/纳米技术和生物医学技术的结合是一个重要方向，开发新型的高灵敏度生化微/纳传感器成为未来的研究热点。

（6）区域性联合体和产学研相结合已在学术交流和产业化方面发挥了效能。今后，在加强基础理论与基础技术研究的同时，有待于进一步强化开发性工作，推进中国高技术产业化进程。

在未来的一段时间内，我国将推动企业与高校、研究院所合作。高校和研究院所主要从事基础性、前沿性研究，研发样件与样机；企业则进行工程化、产业化和商品开发。针对国际微/纳技术发展趋势和我国未来的产业化前景，还应围绕医疗与健康、环境监测等重要行业的需要，重点研究开发具有自主知识产权的微/纳系统设计与制造核心技术、系统集成技术和关键微/纳器件与系统，初步建成我国微/纳制造研发体系，提升我国微/纳制造技术的整体水平和核心竞争力，推动微/纳制造高技术产业的形成，为创新型国家做贡献。