5.4　我国微系统与微/纳加工技术发展对策

5.4.1　当前微系统技术发展特点

在国外，MEMS产业化经过了多年的平缓增长。但20世纪90年代以来，随着通信的宽带化、网络化的急切需求，人类基因研究的迅速发展和汽车业的巨大需求等市场牵引，全球投资增加，技术趋向成熟，使MEMS商品化的速度加快。目前有些MEMS产品开发已经取得实质性的进展，有些产品已经上市并正在扩展应用市场。MEMS在国外具有很好的市场发展前景，呈现出如下特点：微系统技术研究方向多样化、加工工艺多样化、系统单片集成化、MEMS器件芯片制造与封装统一考虑。

5.4.2　我国微系统发展目标

从技术上讲，MEMS的发展基本上是借鉴了IC工业的成功之处，即集中化批量制造，提供高性价比产品。但MEMS又与IC有较大的差别，因此MEMS产业化所面临的关键技术的挑战又不同于IC产业。在IC中，有一个基本单元即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其他能量范畴（如磁、热等），因此MEMS是多种能量耦合并且是模拟性质的。这决定了MEMS产业化要走分类制造、封装和测试的道路。MEMS产业化首先要利用IC产业基础设施，这些基础设施是：模拟、仿真和设计平台，标准化制造、测试和封装技术；其次是加速MEMS产业化关键技术（即与IC的差别之处）的实现，这些关键技术是MEMS CAD、MEMS制造、测试和封装。正是MEMS的这种特点，决定了发达国家不能垄断MEMS领域，我们有很大的创新和发展空间。

我国微系统发展的目标是，针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合国家竞争力核心技术发展战略，围绕生物化学分析、工业自动化、信息技术等行业的社会经济发展需要，以发展我国MEMS产业化基础的关键技术作为切入点，掌握MEMS相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术；开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及系统；逐步建立起我国MEMS研发体系和产业化基地，提高我国在MEMS领域的核心竞争力，为推动MEMS的可持续发展和产业化打下良好的基础，并在某些方面达到国际领先水平。

5.4.3　发展对策分析

目前，我国通过重大项目的实施，在基础研究、技术攻关、工艺与装备、应用系统等几个层面上实现突破，拥有了一批具有自主知识产权的关键技术；通过各种途径，培养出一支高素质的MEMS人才队伍，建立和完善了我国MEMS的技术创新体系，具有MEMS设计、开发、工程应用和产业化的能力。但应该看到，尽管我国微系统在研究领域已有一段历史，但离真正进入大规模产业化阶段还有相当一段距离。近年来，我国微电子或IC（集成电路）产业的发展势头非常迅猛，引进了大批新型IC加工设备，建成了多条现代化的IC生产线，并在自主IC设计方面取得了较大突破。这对微系统的产业化发展是个有利因素。但对比更为成熟的IC（集成电路）领域，虽然微系统领域有很多机会，但现在其技术和市场都尚未成熟，成本依然很高，资金投入的回报不能得到保证。从目前的市场来看，我国微系统元件还仅仅是刚开始从实验室走向应用，在产业化发展方向上还面临诸多问题。而且，迄今为止，我国已经完全产业化了的MEMS器件和具备MEMS器件量产的公司屈指可数，能够量产的MEMS器件也主要集中在中低端，究其原因，主要有以下几个方面：

（1）我国微系统技术研究起步比美、德、日等发达国家晚，基础比别人差，投资力度也相对较弱。

（2）MEMS是一个结合了多种学科的交叉领域，所涉及的物理量多种多样，如力、电、磁、声、光、热等，这就给制定统一的MEMS工艺标准带来了较大的难度。

（3）MEMS工艺和技术的另一项挑战就是制造MEMS器件的材料。

（4）MEMS器件与系统的封装亦须达到更高程度的标准化。

为了促进我国MEMS技术的提高和MEMS产品的更新换代，促进微系统产业化，提高微系统市场竞争力，解决我国微系统从研究成果到批量化生产面临的各种问题，建议采取如下对策：

（1）国家要制定MEMS产业化发展的战略规划，要把握该行业的近期和中长期市场需求，进而制定相应的国内发展战略。要找准应用突破口，扬长避短，以特别适合MEMS应用的重大领域为目标进行研究，取得突破，从而带动MEMS产业的发展。

（2）必须瞄准MEMS未来的主流市场，包括汽车、消费电子如家电、办公等。只有抓住主流市场才能实现真正的产业化。而微系统产业化当前的重点应该是传感器。未来的传感器技术，总的发展趋势是微型化、集成化、多功能化和智能化。微型化指未来的传感器将做得更微细；多功能化指利用一种材料或在同一个芯片上制作出能检测2个或3个以上的不同物理特性参数的传感器；集成化指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC传感器，集成度更高；智能化指传感器与大规模集成电路相结合并带有微处理器、自检、自校、信号传输和放大电路等智能作用。

（3）应用风险投资等市场手段和市场运行机制来运作MEMS产品。由于我国发展市场经济时间短，风险投资等市场措施在诸多领域还未能发挥应有作用。特别是当系列MEMS产品还处于研发阶段，其工艺尚未成熟前，距生产实现产业化还有相当长的时间，具有一定风险，再加上由于MEMS的很多产品在真正推向市场过程中仍存在相当多的难题，使得这种投入在很大程度上风险很大，即便是发达国家，也颇受限制，为此，我们应该吸取国外经验，完善风险投资的政策体系和自主知识产权的法律体系，健全市场机制以利于建立通畅的风险投资的退出渠道，拓展风险投资的投资渠道，利用可预期的MEMS产品的市场前景，理顺制度，加大风险投资的支持，尽力吸引各国风险投资流向MEMS领域，使风险投资等措施更好地服务于MEMS产业化，以加速MEMS市场化、产业化速度。引进国外先进的MEMS技术平台管理与运行机制，以市场化为目标，注意知识产权保护，通过竞争使MEMS技术平台更好地为用户服务，便于将已商业化的MEMS产品推向市场，走向世界。

（4）要培养并引进人才，加强合作。相对于发达国家，国内MEMS专业人才显得不足。认识到这个差距，我国应该把人才作为MEMS研发和市场化推广的关键因素之一，通过多种机制和特惠政策支持，吸引并培养一批国内外MEMS研发和市场化运作的高层次人才。务必改变观念，既重视研发人才，也要培养和国际接轨的市场人才，特别是复合型新人才。采用多种人才合作方式，积极开展MEMS技术的国际交流和合作，提高我国MEMS研究的起点，加速实现更多种类、更大产值的MEMS产品市场化，占领国内外市场，并形成自己的品牌。

（5）微系统的产业化发展应该百花齐放，不可能一家通吃，各研究机构可在已有线上进行流片。微系统产业化工作一定要专注，做产品一定要做到可产业化程度，不能跟着项目走，这样很难做到产业化的水平。政府或其他机构可以投入研发经费折算入股方式给予持续的支持和扶植。实现微系统产业化一定要在国内扶持典型企业，流片生产线一定要集中，要有一定的规模，并保证企业有一定的利润率。近年来我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系，为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。因此，为了追赶国外先进水平，使得MEMS产品商业化，走进国外市场，还需要各单位进一步加强合作，加大研发力度。根据国外MEMS技术发展状况和国内现有条件及基础，克服条块分割，组织国内优势单位，开展关键技术研发，逐步形成分类的加工能力和技术平台。通过国际交流，本着互利互惠的原则，优化资源，整合现有研发和推广力量，加大与跨国公司合作开发和市场推广的力度。

（6）要抓MEMS与IC的集成技术，这是目前国内MEMS技术发展的主要瓶颈。可以是多片集成，也可以是单片集成，这一问题解决不了，国内MEMS的产业化工作将难有出路。要攻克微系统技术领域的前沿关键技术，也要注重封装、系统集成等应用性技术的发展，通过应用性技术的发展，实现应用技术的产业化。在MEMS理论与基础技术方面能否取得更大的突破性进展，决定了人们能否高效地设计制造出所需的MEMS产品。MEMS器件的生产要经过设计、模拟、加工、封装和测试等一系列生产步骤，这些步骤决定了MEMS的性能和价格，性价比的成熟程度决定了MEMS产品的开发速度和商业化市场化进程，因此必须攻克关键技术，包括：

●微系统设计技术　主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

●MEMS的CAD与模拟技术　CAD和模拟技术的发展可以优化MEMS结构和工艺，可以缩短设计周期，增强市场竞争力。

●微系统组装、封装和测试技术　MEMS封装比集成电路复杂，组装和封装包括粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅键合技术和自对准组装技术；测试主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术等。

●MEMS的材料和加工技术　MEMS所用的材料分为结构材料和功能材料两种。加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

5.4.4　小　结

微系统技术是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。世界各国在研究MEMS技术的同时都十分重视微型系统的产业化问题，预计在不远的将来会形成庞大的高新技术产业。虽然我国的微电子技术相对落后，但并不影响我国微系统技术的发展。目前我国的半导体工艺水平足以满足微机械发展的要求，加之有原来的硅基压力传感器和石英加速度计的基础，只要投资正确，政策得当，与国外竞争是有一定机会的。为此，我国也应十分重视MEMS技术的发展，把MEMS看作是一个21世纪新的经济增长点，制定相应政策，投入人力和财力，大力推进MEMS的开发和研究，积极促进其产业化发展。

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【注释】

(1)史铁林，博士，教授，博士生导师，机械学院常务副院长。学术兼职包括中国振动工程学会常务理事、中国振动工程学会动态信号分析专业委员会主任委员、中国振动工程学会故障诊断专业委员会副理事长、中国微米纳米技术学会理事、中国机械工程学会理事、《Frontiers of Mechanical Engineering》副主编、《机械工程学报》杂志编委、《振动工程学报》杂志编委、《中国机械工程》杂志编委、《中国工程机械学报》杂志编委、《振动与冲击》杂志编委、《振动测试与诊断》杂志编委等。
近年来，面向国际学术前沿和国家重大需求，先后承担了一批国家级重要科研项目，包括国家攀登计划、973项目课题，国家863计划项目、国防重大专项课题，国家自然科学基金面上项目、企业委托项目等数十项科研项目，紧密围绕微纳制造、装备制造、装备安全运行与故障诊断学科方向，解决了诸多工程中的技术难题，在微纳制造与纳米动态测量、电子封装、军工特种装备研制、设备状态监测和故障诊断等方面做出贡献。先后获国家教委科技进步二等奖（2项），国家教委科技进步一等奖（1项），机械工业部科技进步一等奖，国家科技进步三等奖，光华科技基金三等奖等。还先后获得中国青年科技奖，全国优秀博士后奖，湖北省五四青年奖章、中国机械工程学会杰出青年科技奖、首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选等荣誉称号。