搜索
MEMS发展现状及其应用前景一、MEMS定义概述?MEMS是英文MicroElectro-MechanicalSystems的缩写，即微电子机械系统，指以集成电路等工艺批量制造的，具有毫米级尺寸和微米级分辨力的微细集成设备或系统。从微小化和集成化的角度，MEMS指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等集于一体的微型器件或系统。与传统机械系统相比，MEMS系统具备以下优势：①微型化和集成化：几何尺寸小，易于集成。采用微加工技术可制造出微米尺寸的传感和敏感元件，并形成二维或三维的传感器阵列，再加上一体化集成的大规模集成电路，最终器件尺寸一般为毫米级。MEMS镜头内嵌隐形眼镜的MEMS传感器②低能耗和低成本：采用一体化技术，能耗大大降低；并由于采用硅微加工技术和半导体集成电路工艺，易于实现规模化生产，成本低。③高精度和长寿命：由于采用集成化形式，传感器性能均匀，各元件间配置协调，匹配良好，不需校正调整，提高了可靠性。④动态性好：微型化、质量小、响应速度快、固有频率高，具有优异动态特性。MEMS加速度计、陀螺仪和地磁感应计二、MEMS的历史和发展现状2.1MEMS的发展历史MEMS194719541958196219881993发明半导体晶体管发现压阻效应生产出半导体应变片硅压力传感器问世美国研制出静电马达德国研究出LIGA技术时间国家发展状况1959年美国R.Feynman首先提出微型机械设想，认为纳米技术能发明出性能优良的微小机械1962年美国HoneywellMEMS先驱——硅微压力传感器问世，主要技术包括硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺1967年美国用硅加工方法开发出尺寸为50um~500um的齿轮、齿轮泵、气动轮及连接件等机构70年代美国斯坦福大学受美国国家宇航局委托，研制出在晶圆上制作气相色谱仪，设计可用于航天飞行的微电机1987年美国NSF启动了第一个MEMS计划1988年美国加州伯克利分校研制出转子直径为60~120um的硅微静电电机日本建立精密机械加工方面的MEMS研究组织1991年日本通产省开始实施为期10年，总投资250亿日元的“微型机械技术”大型研究计划1992年美国政府把微米级和纳米级MEMS制造技术列为对经济和国防的重要技术1993年美国ADI公司采用MEMS技术成功将微加速度计商品化，并大批量用于汽车防撞气囊，标志MEMS技术商品化的开端2001年德国政府计划每年投资7000万美元用于MEMS技术的研发2002年美国在SanJose召开的MEMS传感器世纪博览及研讨会提出了BioMEMA/BioSensor的新观念2006年日本启动为MEMS制造确立基础技术的国家级项目表2-1MEMS发展历史表2.2MEMS的发展现状MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视，其主要技术途径有3种：(1)以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；(2)以德国为代表发展起来的LIGA技术；(3)以日本为代表发展的精密加工技术。由于MEMS前端研发需要大量的资金与时间，风险非常高，私有企业往往不愿意独自承担。国外MEMS研究主要依靠政府资助进行：美国以大学为中心承担MEMS研发风险；德国和瑞士以自治团体为主导的半官半民机构进行MEMS研究；法国以国家机构为主导承担MEMS研究风险，每年投入约12亿美元的研发费用。日本以大型财团与科研机构为主研究MEMS，每年投入总费用超过2.5亿美元。一）美国：确定军事应用为其主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究。硅微加工工艺、体硅工艺、表面牺牲层工艺为代表。在MEMS发展初期，美国就重视牵引研究主体——大学与企业的结合。美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分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，并且应用领域十分广泛。90年代初ADI公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，用于汽车气囊。2.2.1国外发展现状二）法国：在市场运作方面，法国与美国市场保持紧密协作，瞄准美国航天与军用市场，并以此为立足点向民用产品、汽车和新领域拓展。2013年技联国际会议上，法国国家计量与测试实验室推出首项MEMS输出精确测量技术，它将有助于全球MEMS制造商提高产品性能开发、开发新功能、降低大规模生产的能源消耗，影响市场对小型化的需求和提高可靠性。三）德国：MEMS在德国国内重点领域是汽车，其次是化学设备、半导体。德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA工艺而闻名于世，该技术采用X射线光刻技术，通过电铸成型和注塑工艺，形成深层微结构的方法。军用MEMS汽车行业应用MEMS形势看涨四）瑞士：主要进行高性能MEMS产品的研发，制造与材料表面评价设备的制造销售。瑞士在联邦政府的扶持下已形成以CESM（CentreSuissed'ElectroniqueetdeMicrotechnique）为主导、以MEMS等技术为基础的“瑞士版硅谷”。CESM已经和UniversitédeNeuchatel，洛桑联邦理工大学、苏黎世联邦理工大学，及法国LETI建立了协作体制。1986年，瑞士CSEM研制出硅反馈式加速度计五）日本：日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。日本方面对MEMS技术最为关注。日本政府已将微机电系统定位于强化日本产业竞争力的重要技术。2007年夏季，日本文部省推出了“尖端融合领域革新创造基地的形成计划”；08年度日本经济产业省推动“BEANS项目”和“梦幻芯片开发项目”。BEANS计划在2008～2012的5年内以约100亿日元的预算，将生物科技和纳米功能融入MEMS技术。目前，日本各地已有MEMS厂商100多家，以Olympus、Canon、Fujikura和器件制造如MEW、Oki等为代表。日本也拥有不少设计公司，主要来源于R&D机构和各高校。六）亚洲周边国家：韩国、中国和新加坡等地，政府从技术战略决策层面大力发展MEMS。韩国每年投入约2亿美元研发费用，有6个实验室和10家公司；我国台湾每年投入MEMS总费用为6.4亿元新台币。越南也已把MEMS看作未来的商机，密切关注它的发展。2017年MEMS市场规模将倍增至270亿美元我国的MEMS研究始于1989年，“八五”、“九五”期间国家总投入约为1.5亿元；“十五”正式开始将MEMS列入863计划的重大专项，总预算经费达3亿元以上。1995年国家科技部开始实施“微电子机械系统项目”攀登计划(1995～1999年)；1999年实行“集成微光机电系统研究”项目。内地MEMS的研发单位已达50多家，在表面微机械、体硅MEMS以及非硅MEMS工艺有很强的竞争实力，科研水平能够进入国际前十名。国内的MEMS理论研究与国外水平相差不大，其主要差距在于产业化推进能力上。国外发展MEMS已有30多年历史，大型企业年产能力基本在100万～1000万只，中等规模企业年生产能力可达为10～100万只；而相比之下，我国企业的MEMS器件生产规模却很少超过10万件。国外已进入了MEMS微系统集成的开发与应用，而国内仍处于分立的驱动和传感器件的研究阶段。国内从事MEMS研发的单位包括中电集团电子第十三所、二十四所、四十九所、北京大学、东南大学、上海交大等重点院所；重点围绕医疗与健康、环境监测和重要行业等需要，提升我国MEMS整体水平，在“十一五”期间推动国内微纳产业的形成。2.2.2国内发展状况江苏省高性能硅MEMS工程技术研究中心在苏成立国内能独立从事MEMS研发的企业较少，主要包括西安中星、北京北信、太原科泰等一批从原国家电子、航天部门分离出来的科技企业。无锡能从事MEMS设计的企业包括中国电子工业总公司58所与美新半导体。58所具有完整的集成电路设计、掩模制版、工艺加工、测试、封装、可靠性检测等能力；据悉：2006年无锡IC设计业销售额20亿元中17亿元是由“出身”于58所的人员创造的。无锡正在围绕中电58所，建立国家集成电路设计产业化基地，加强无锡地区的MEMS研发的能力。美新半导体主要由海归人员创建，提供基于CMOS的MEMS系统级芯片设计能力，研发能力始终保持国际一流。我国传感器和仪器仪表的技术和产品，经过发展，有了较大的提高。全国已经有1600多家企事业单位从事传感器和仪表元器件的研制、开发、生产。但与国外相比，我国传感器和仪表元器件的产品品种和质量水平，尚不能满足国内市场的需求，总体水平还处于国外上世纪90年代初期的水平。国内已有多家MEMS相关科技公司建成投产存在的主要问题有：（1）科技创新差，核心制造技术严重滞后于国外，拥有自主知识产权的产品少，品种不全，产品技术水平与国外相差15年左右。（2）投资强度偏低，科研设备和生产工艺装备落后，成果水平低，产品质量差。（3）科技与生产脱节，影响科研成果的转化，综合实力较低，产业发展后劲不足。未来，我国将形成对MEMS传感器的巨大市场需求：①硅压力传感器及变送器年需求量500万只以上，主要应用于石油、化工、电力工业，钢铁、电器行业及工业测量与控制等领域；②集成压力传感器年需求量200万只以上，主要应用于汽车、大型中央空调器以及医疗器械等行业；③CH4气体传感器市场年需求在700-850万套，主要应用于能源工业、环境检测、工业过程控制、工作生产现场及环保领域等。目前国内市场MEMS传感器的年需求量在2000万只以上，市场潜力巨大，需求年均增长约20%～30%，成长性良好。④在一些无法进口的高端和特种应用领域，例如航天和油田用高温、高压MEMS传感器领域，中国有一定的技术积累，有适合于发展MEMS产业的良好基础。面对这片巨大的潜力市场，国内企业应当努力营造产业环境，利用自身的高性价比与国际巨头在MEMS市场上一争高低。2.3MEMS市场发展趋势与传统IC产业相比，MEMS产值如冰山一角，所占比例很小；但MEMS产业的增长速度很快，远远超过传统IC产业。据市场调查公司YoleDevelopment的统计，2007年全球MEMS市场总值为71亿美元，2012年将达到140亿美元，复合年均增长率（CAGR）达到14%。全球MEMS相关产品(包括汽车安全气囊系统，显示系统等)市场总值为480亿美元，至2010年将达到950亿美元。MEMS与IC芯片产业有非常类似的发展规律。两者的升级换代周期都非常短：MEMS器件从研发到量产3亿个的时间，从过去10年缩短为现在2~3年，速度成为MEMS产品成功的基本保障。MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。德州仪器公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。第三轮商业化出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但从长期看来微光学器件将是MEMS一个增长强劲的领域。第四轮商业化包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。三、MEMS的应用MEMS技术的研究和应用主要集中在三个方向：微型传感器、微型执行器和微型系统。经过数十年的发展，已经取得了很大的进展。目前MEMS的产品在光信号处理、生物医学、机器人、汽车、航空、航天、军事和日用电器等领域，已得到了广泛的应用，并具有巨大潜在的应用前景和经济效益。MEMS的主要研究内容3.1MEMS传感器（一）压力传感器MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变，也可以通过电