MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是多種學(xué)科交叉融合并具有戰(zhàn)略意義的前沿高技術(shù)，是未來的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。MEMS以其微型化的優(yōu)勢，在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)和軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。
1 國外概況
MEMS技術(shù)自20世紀(jì)80年代末開始受到世界各國的廣泛重視，其主要技術(shù)途徑有3種：(1)以美國為代表的、以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù)；(2)以德國為代表發(fā)展起來的LIGA技術(shù)；(3)以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)。
1987年，美國UC Berkeley大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微馬達(dá)，引起國際學(xué)術(shù)界的轟動，人們看到了電路與執(zhí)行部件集成制作的可能性，這是MEMS技術(shù)的開端。1988年，美國的一批著名科學(xué)家提出“小機(jī)器、大機(jī)遇”，并呼吁：美國應(yīng)當(dāng)在這一重大領(lǐng)域發(fā)展中走在世界的前列。1993年，美國ADI公司采用該技術(shù)成功地將微型加速度計商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著MEMS技術(shù)商品化的開端。20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家先后投巨資并設(shè)立國家重大項目促進(jìn)其發(fā)展。此后，MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特別是深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后，圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。最近，美國朗訊公司開發(fā)的基于MEMS光開關(guān)的路由器已經(jīng)試用，預(yù)示著MEMS發(fā)展又一高潮的來臨。目前部分器件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如微型加速度計、微型壓力傳感器、數(shù)字微鏡器件（DMD）、噴墨打印機(jī)的微噴嘴、生物芯片等，并且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。近年來國際上MEMS的專利數(shù)正呈指數(shù)規(guī)律增長，說明MEMS技術(shù)全面發(fā)展和產(chǎn)業(yè)快速起步的階段已經(jīng)到來。
回顧MEMS發(fā)展進(jìn)程，國外發(fā)展MEMS的特點有如下4個方面。
a.國家高度重視。在初期，政府行為起主導(dǎo)作用，如1992年“美國國家關(guān)鍵技術(shù)計劃”把“微米級和納米級制造”列為“在經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全兩方面都至關(guān)重要的技術(shù)”。美國國家自然基金會（NSF）把微米／納米列為優(yōu)先支持的項目。美國國防部先進(jìn)研究計劃署（DARPA）制定的微米／納米和微系統(tǒng)發(fā)展計劃，對“采用與制造微電子器件相同的工藝和材料，充分發(fā)揮小型化、多元化和集成微電子技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計和制造新型機(jī)電裝置”給予了高度的重視。日本早在1991年開始啟動了2.5億美元的大型研究計劃——“微機(jī)械十年計劃”。
b.企業(yè)介入、市場牽引。在MEMS發(fā)展初期，美國就重視牽引研究主體——大學(xué)與企業(yè)的結(jié)合。例如在MEMS的重點研究單位UC Berkeley成立的BSAC（Berkeley Sensor and Actuator Center）就由多所大學(xué)和企業(yè)組成。ADI公司看到了微型加速度計在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的巨大前景，通過引入表面犧牲層技術(shù)并加以改造，使微型加速度計的商品化獲得巨大成功。
c.重點領(lǐng)域明確。美國在發(fā)展初期確定軍事應(yīng)用為其主要方向，側(cè)重以慣性器件為代表的MEMS傳感器的研究；日本重點發(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹窄空間的微機(jī)器人、進(jìn)入人體狹窄空間的醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。歐洲則重點發(fā)展μTAS（Micro Total Analysis System，全微分析系統(tǒng)）或LOC(Lab on Chip，芯片實驗室)。
d.重視基礎(chǔ)技術(shù)的建設(shè)。十分重視設(shè)計、材料、加工、封裝、測試等技術(shù)的發(fā)展。美國除在研究單位建立獨立的加工實驗室外，還特別建立了專門為研究服務(wù)的加工基地，如MCNC、SANDIA國家實驗室等。德國也建立了 BOSCH實驗室。
2 國內(nèi)概況
我國MEMS的研究始于20世紀(jì)90年代初，起步并不晚，在“八五”、“九五”期間得到了科技部、教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和原國防科工委的支持。經(jīng)過10年的發(fā)展，我國在多種微型傳感器、微型執(zhí)行器和若干微系統(tǒng)樣機(jī)等方面已有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，初步形成了幾個MEMS研究力量比較集中的地區(qū)。包括京津地區(qū)，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院電子所、信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、南開大學(xué)等；華東地區(qū)，如中科院上海冶金所、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)、廈門大學(xué)等；東北地區(qū)，如信息產(chǎn)業(yè)部電子49所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、大連理工大學(xué)、沈陽儀器儀表工藝研究所等；西南地區(qū)，如重慶大學(xué)，信息產(chǎn)業(yè)部電子24所、44所和26所等；西北地區(qū)，如西安交通大學(xué)、航空618所、航天771所等。這些因地域而組成的研究集群，已形成彼此協(xié)作、互為補(bǔ)充的關(guān)系，為我國的MEMS研究打下了良好的基礎(chǔ)。
在科研能力積累上，1996年建設(shè)的微米／納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，使我國的MEMS加工技術(shù)研究得到較大提高，實驗室購置了當(dāng)時國際上最先進(jìn)的MEMS加工關(guān)鍵設(shè)備，如STS深槽刻蝕機(jī)、Karlsuss雙面光刻機(jī)／鍵合對準(zhǔn)機(jī)、可用于硅／玻璃靜電鍵合和硅／硅預(yù)鍵合的Karlsuss鍵合機(jī)、LPCVD、壓塑機(jī)等，連同配套的IC設(shè)備，如濺射臺、擴(kuò)散爐、RIE刻蝕機(jī)、PECVD、光刻機(jī)等設(shè)備，初步構(gòu)成了具有國際先進(jìn)水平的MEMS加工線。這些設(shè)備結(jié)合一些分散于各研究機(jī)構(gòu)的微電子工藝線和微加工設(shè)備，組成了目前我國的MEMS加工技術(shù)基礎(chǔ)。在上述設(shè)備的基礎(chǔ)上，已開發(fā)出具有一定水平的MEMS加工技術(shù)。其中北京大學(xué)所屬微米／納米加工技術(shù)重點實驗室分部開發(fā)出4種MEMS全套加工工藝和多種先進(jìn)的單項工藝，已制備出加速度計樣品，并已開始為國內(nèi)研究MEMS的單位提供加工服務(wù)。上海交通大學(xué)所屬微米／納米加工技術(shù)重點實驗室分部可以提供非硅材料的微加工服務(wù)，如LIGA技術(shù)制作高深寬比微結(jié)構(gòu)的基本加工技術(shù)，紫外深度光刻(UV—LIGA)、高深寬比微電鑄和模鑄加工，功能材料薄膜制備等。電子部13所研究的融硅工藝也取得了較大進(jìn)展，已制備出微型加速度計和微型陀螺樣品。
經(jīng)過10年發(fā)展，我國已在微型慣性器件和慣性測量組合、機(jī)械量微型傳感器和制動器、微流量器件和系統(tǒng)、生物傳感器和生物芯片、微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)、硅和非硅制造工藝等方面取得一定成果?，F(xiàn)有的技術(shù)條件已初步形成MEMS設(shè)計、加工、封裝、測試的一條龍體系，為保證我國MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了較好的平臺。但是，由于歷史原因造成的條塊分割、力量分散，再加上投入嚴(yán)重不足，盡管已有不少成果，但在質(zhì)量、性能價格比及商品化等方面與國外差距還很大。
3 MEMS發(fā)展戰(zhàn)略的建議
3.1 戰(zhàn)略目標(biāo)
針對國際MEMS發(fā)展趨勢和未來的產(chǎn)業(yè)化前景，結(jié)合我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和國家競爭前的核心技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，以支撐我國MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)為切入點，掌握MEMS材料、設(shè)計、制造、檢測、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，建立我國的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，圍繞醫(yī)療、消費電子、家電等行業(yè)，開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)，推動MEMS的可持續(xù)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)化的形成打下良好的基礎(chǔ)。
3.2 研究內(nèi)容
a.MEMS設(shè)計方法與工具，包括CAD／CAM技術(shù)、MEMS機(jī)理及與納米材料制造的交叉技術(shù)研究等。
b.MEMS產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)的支撐關(guān)鍵技術(shù)，包括加工、封裝、在線測試、工藝與制造關(guān)鍵設(shè)備等支撐技術(shù)。
c.開發(fā)具有若干行業(yè)帶動性的MEMS器件及微系統(tǒng)，包括在醫(yī)療、消費電子、家電等方面的廣泛應(yīng)用。
3.3 預(yù)期成果
a.掌握一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MEMS設(shè)計方法、CAD/CAM工具、工藝、加工、封裝技術(shù)、在線測試技術(shù)及裝備等關(guān)鍵技術(shù)。
b.形成支撐MEMS研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)平臺，并建立具有國際競爭力的MEMS研發(fā)體系和MEMS設(shè)計與制造基地。
c.建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的創(chuàng)新機(jī)制，自主設(shè)計制造面向醫(yī)療、消費電子、家電等行業(yè)的MEMS器件和微系統(tǒng)，包括：加速度、壓力、慣性、氣體等微型傳感器；MEMS諧振器、MEMS開關(guān)、微閥、微泵、微噴等微型執(zhí)行器；人體內(nèi)腔道診療微系統(tǒng)等。
3.4 運(yùn)行機(jī)制
a.集中力量，統(tǒng)一指揮。打破部門、地區(qū)的界限，集中優(yōu)勢力量確保計劃的實施，在落實任務(wù)和經(jīng)費分配時實行招標(biāo)或擇優(yōu)委托，把任務(wù)落實到確有優(yōu)勢的單位和專家集體，并重點在研究單位相對集中的地區(qū)建設(shè)若干個各具特色的材料、設(shè)計、工藝、裝備與制造基地，形成MEMS先進(jìn)制造加工基地網(wǎng)，避免過去各單位重復(fù)研究、分散立項的弊端。經(jīng)費專款專用，在人、財、物上集中力量統(tǒng)一指揮，充分發(fā)揮有限資源的作用。
b.創(chuàng)新機(jī)制。MEMS基礎(chǔ)研究、工藝研究、裝備研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化等諸多環(huán)節(jié)要有機(jī)結(jié)合，防止科研與市場脫節(jié)、工藝與裝備脫節(jié)；采取政府導(dǎo)向、“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合、市場化運(yùn)作的方針，以多種形式吸引地方、企業(yè)共同投資。
c.引進(jìn)人才，加強(qiáng)合作。把人才作為MEMS研發(fā)的關(guān)鍵因素之一，通過多種機(jī)制和特惠政策支持，吸引國內(nèi)外MEMS研發(fā)的高層次人才。積極開展MEMS的國際交流合作，提高我國MEMS研究的起點。
d.跨越發(fā)展。在MEMS設(shè)計、工藝、制造裝備等方面，鼓勵創(chuàng)新，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，實現(xiàn)MEMS的跨越發(fā)展。
4 結(jié)束語
通過“863”計劃MEMS重大專項的實施，將在基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、工藝與裝備、應(yīng)用系統(tǒng)等幾個層面上實現(xiàn)若干重點技術(shù)的突破，擁有一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，具有MEMS設(shè)計、開發(fā)、工程應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的能力，培養(yǎng)出一支高素質(zhì)的MEMS人才隊伍，建立和完善我國MEMS的技術(shù)創(chuàng)新體系。在MEMS的研究與開發(fā)方面取得具有顯示度的研究成果，在國際上占領(lǐng)一席之地。在壓力傳感器、加速度計、氣體分析、化學(xué)成分分析傳感器等器件方面，通過小試、中試促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，在汽車、家電、生物化學(xué)及醫(yī)療、工業(yè)自動控制、微環(huán)保儀器、機(jī)電消費類產(chǎn)品、武器裝備等方面占領(lǐng)一定的市場份額，取得顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。