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中國MEMS的研究與開發進程

　　摘要微機電系統 (Micro Electro Mechanical Systems) 是 80 年代發展起來的新興交叉學科 ,其系統包括能源、微驅動器 、微執行器 、微傳感器 、微控制器以及與外界的接口等 。由于該系統能夠實現各類產品的微型化 、集成化與便攜化 ,因而在天上、地面和海洋的諸多領域有廣泛的應用與產業前景。本文概括地介紹微機電系統學科的重大意義，13年來中國MEM S研發的總體概況，以及關注的熱點。微機電系統學科的重大意義 微機電系統學科內涵、重大意義微機電系統(MEMS)是指適于批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制及通訊接口電路、能源等于一體的能完成特定功能的微系統。MEMS是多學科交叉的前沿研究領域，它涉及電子工程、機械工程、材料工程、信息工程、物理學、化學、光學以及生物醫學等學科與技術。MEMS廣義上包含了微小型和微米機械。自1987年7月一個新興交叉學科—MEMS誕生以來,為當今的信息時代增添了新的色彩。它不僅具有微電子的信息獲取與處理的功能，而且兼有動作信息的執行功能。它囊括聲、光、熱、力、電、磁、化學、生物等傳感方式,加之微能源、微驅動、微執行、微處理系統的綜合,組成千差萬別的可實用化、產業化的微型集成器件與系統。微機電系統的發展將極大地促進各類產品的微型化、集成化與便攜化、成數量級地提高器件與系統的功能密度、信息密度與互連密度，大幅度地節能、節材。它將廣泛地用于國防、航空、航天、生物醫學、制造業、交通、通信、農業、環保以及家庭。MEMS技術引起了世界各國科學界、產業部門和政府部門的高度重視,被列入各國高技術發展規劃,已經成為當今科技熱點之一。展望21世紀,MEMS也會像20世紀的微電子技術給世界帶來的影響那樣,它的發展將可能引發一場新的產業革命。微機電系統的出現,對于發展中的世界各國都是一次重大的歷史機遇。中國開展MEMS研究工作晚于發達國家,但由于MEMS在21世紀將形成國際性的高技術市場,所以中國必須后起直追,突破若干關鍵技術,迎頭趕上。中國MEMS研發的總體概況政府和部門的立項投入中國的MEMS研究始于1989年,在國家“八五”、“九五”計劃期間,得到了國家自然科學基金委員會、科技部、教育部、中國科學院和總裝備部的積極支持,經費總投入約為1.5億人民幣。“十五”期間,MEMS正式列入863計劃中的重大專項,加上教育部的教育振興計劃、中國科學院的知識創新體系、基金委和科技部新的立項以及地方和企業的投入,預計總經費可達3億人民幣以上。這就是說,“十五”期間在MEMS方面的經費投入是“八五”、“九五”期間經費總和的兩倍(港臺未統計在內)。研發的分布地區和單位中國內地MEMS的研發單位主要集中在華北、華東和東北三個地區,還有西南地區的重慶和西北地區的西安等。初步統計,不同層次的內地研發單位共有60余個。如下： 華北地區:清華大學、北京大學、中科院電子所、石家莊13所、中科院力學所等; 華東地區:中科院上海微系統與信息技術所、上海交大、上海大學、東南大學、浙江大學、廈門大學、中國科大、南京55所等; 東北地區:大連理工大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱49所、中科院長春光機所、沈陽儀器儀表工藝所、東北大學等; 西南地區:重慶大學、重慶微系統科技股份有限公司等;西北地區:西安交大、航空618所等; 內地其它單位還有:解放軍總裝備部、中科院半導體所、中科院高能物理所、北京理工大學、北京航空航天大學、南開大學、天津大學、華北工學院、復旦大學、華東師范大學、中科院上海光機所、南京航空航天大學、中科院合肥智能機械所、黑龍江大學、沈陽工業大學、沈陽47所、長春科技大學、重慶24所、重慶26所、重慶44所、中科院成都光電技術所、中國工程物理院電子所、成都電子科技大學、西北工業大學、西安電子科技大學、廣東工業大學、武漢科技大學、河北科技大學、四川大學、航天集團16所等。 中國香港地區:香港科大、中文大學等。 中國臺灣地區:臺灣大學、清華大學、交通大學、成功大學、新竹工業園機械所等。中國內地MEMS的研發內容中國內地已經完成的和正在進行的MEMS研發內容按系統、器件、工藝、測試和基礎理論分類如下: 中國在MEMS方面關注的幾個問題基礎理論與基礎技術MEMS的基礎理論主要包括：微摩擦學、微機械學、微運動學、微動力學、微傳熱學、靜電力學等等。在許多自然科學基金項目、攀登計劃B項目中,已經在MEMS微尺度效應下的介觀物理和細觀力學等基礎理論和各種微細加工工藝方面進行了十余年的研究工作。由于中國內地微電子IC工藝落后以及微觀科學與技術的快速發展,不斷深入探索MEMS的基礎理論和基礎技術問題就顯得十分重要。MEMS器件優異的特性與微尺度效應有關,MEMS發展成產業沒有好的工藝基礎不行,這就需要人們必須進一步關注基礎理論與基礎技術。納米技術與MEMS的結合,可能產生創新結構與特性,這也是基礎理論和基礎技術研究的一個側面。一些重點、重大基金,甚至是863中的MEMS項目,都對此繼續給予關注。器件與系統MEMS研究的初期階段,許多人著眼于機械器件的小型化、微型化技術。如研制微齒輪、微電機、微泵等等。隨著人們對21世紀科技發展總趨勢的認識,服務于信息科學和生命科學的MEMS更受到科技工作者、政府和產業界的重視,諸如傳感MEMS、RF與ITMEMS、生物MEMS。器件與系統的集成技術(微結構與電路的集成設計、集成制造)已經有人在做,首先是表面硅工藝和CMOS電路的集成化。在傳感MEMS方面,集成技術會發展很快。這些技術和半導體集成化芯片系統(SOC)技術的發展緊密相連。實用化與產業化中國MEMS研究的覆蓋面是很寬的,跟蹤美國、日本和西歐新器件研制的速度也是比較快的。從科研的角度來看,中國列于國際排名的前十位之中。然而,中國MEMS的發展存在嚴重的缺陷。即中國內地的MEMS多集中在高校和非產業化的研究所,且研制的器件與系統大多數沒有達到產前樣機的水平。健康地發展中國的MEMS,必須有大量的產業部門參與和投入。沒有這一條,中國的MEMS就不能達到實用化和產業化。863MEMS專項,明確要求企業介入或牽頭,它為中國MEMS的實用化與產業化帶來了希望。