1、MEMS综述第一章 MEMS的概念2第二章 MEMS技术发展历史2第三章 MEMS技术工艺与流程53.1 MEMS关键技术53.2 MEMS制造与加工工艺73.3 MEMS应用流程9第四章 国内外发展状况.104.1 国外MEMS技术主要研究机构.104.2 国外发展现状.124.3 国内主要研究机构.144.4 国内现状.164.5 中国MEMS产业存在的问题.17第五章 MEMS未来发展方向18第一章 MEMS的概念MEMS 是英文 Micro Elector Mechanical systems 的缩写，即微电子机械系统。利用集成电路（IC）制造技术和微加工技术把微结构，微传感器，微执行
2、器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。具有微型化、智能化、多功能、成本低、高集成度和适于大批量生产等优点。MEMS 技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面： 1理论基础： 在当前 MEMS 所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会
3、发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。2. 技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3. 微机械在各学科领域的应用研究。MEMS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用 MEMS 技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着
4、十分广阔的应用前景。按照专业 MEMS 技术可以分为四大类：传感 MEMS 技术，生物 MEMS 技术，光学 MEMS 技术，射频 MEMS 技术。第二章 MEMS技术发展历史MEMS 技术被誉为 21 世纪带有革命性的高新技术，它的诞生和发展是“需求牵引”和“技术推动”的综合结果。MEMS 技术的始于 20 世纪 60 年代，是微电子和微机械的巧妙结合。1962年，第一个硅微压力传感器问世，其后开发出尺寸为 50-500m 的齿轮，气动涡轮，联接件等威机构。1967年，美国 Westinghouse公司发明表面加工工艺。1970年，美国 Cellulite 公司研制了第一个硅加速度计样机。1
5、977 年，美国 Stanford 大学首先采用各向异性蚀刻制成一种微型加速度计和第一个电容式压力传感器。1979年，惠普公司发明了第一个微机械喷墨头。1982 年，Nova 传感器研究所的 Petersen 教授发表了第一篇针对该领域的综述性文章“Silicon as aMechanical Material”。1985年，德国 Karakul 微结构研究所开发了 LICA技术。1987年，加州大学伯克利分校研发出转子直径 120m 的硅微静电马达，是 MEMS 技术发展历史上的重要里程碑。1988年，Nova 传感器所开始批量生产压力传感器。同年，美国的一些著名科学家提出了“小机器，大机遇
6、”的口号，MEMS 技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域的广阔应用前景引起了世界各国的高度重视，并投入了大量的人力，物力开展对 MEMS器件的研究。1989年，W.C Tang 等人压制了第一个侧向驱动的微型谐振器。1992 年，Cornell 开发了一种体硅加工工艺SCREAM process (Single Crystal ReactiveIonEtching And Decimalization)1993年，德克萨斯仪器研制出数字微镜显示器。1993年，ADI 公司成功的将微型加速度计商业化，并大量的应用于汽车防撞气囊，标志着 MEMS 技术商业化的开端。2002年，ADI 公
7、司推出第一个采用表面微机械加工的全集成的硅微机械陀螺仪。2007年，意法半导体宣布，其硅谐振器已经正式提供给客户，用以取代石英晶振作为定时标准。2007年，韩国科学技术高级研究所研发出使用 MEMS 开关取代晶体管。2007年，美国麻省理工学院发明芯片实验，可以实现自动化全动物遗传和药物测试。蠕虫在芯片内流动，由吸管和高分辨率显微镜影响固定，一旦表型被鉴定，这些蠕虫将被引导至晶片上相应的区域做进一步的检查。2007 年，Wis pry 发布用于移动通信的 MEMS 数字调谐电容器样品。这些产品将低功耗 CMOS 控制和电压产生逻辑与可调谐 RF-MEMS 数字电容器阵列整合到一起，为顾客提供一
8、个单硅片上的超线性，数字可编程，可变电容解决方案。2007年，芯片上的引擎：第一个微涡轮器诞生。由 MIT 实验室研发出的这款新引擎可以满足制作目前世界上最小的却电容量更强大的电池，也可以用于小型无人飞机的发动机。在未来，甚至可以生产出大阵列氢燃料涡轮发动机，以实现清洁，安静和节省能源的生产车间。2009年，美国乔治亚理工学院开发出微型发电机，大约为 10宽大小等同于一枚硬币，供能时间是普通电池的十倍。2010 年，光 MEMS 时代终于到来。光 MEMS 一直是创新电子产品的目标，但是该技术的发展道路曲折。IBM 和 Intel 公司相继利用传统的 CMOS 工具成功的制造出了微机械光学结构
9、。我国在 MEMS 方面的研究始于 1989 年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为 1.5亿人民币。随后，清华大学、北京大学等十几所高校和研究所于 20世纪 90年代开始了微机电系统的研究；“十五”期间，MEMS 被正式列入 863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入，总经费可达 3 亿元人民币以上；国家自然科学基金委的立项起步于 1989年，中国科学院于 1991年确立重点研究项目；自 1993年底起，国防科工委投入数千万元
10、用于“九五”器件微型机械的研究工作，并且建立了两个微加工基地和一个项目研究中心。MEMS研究在我国已形成了如下几个方向：微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。 中国 MEMS 研究的覆盖面是比较宽的，增长速度是比较快的，然而，中国的 MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平，中国 MEMS 发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。发达国家的 MEMS 发展过程表明，实现 MEMS 的实用化和产业化才能够给中国 MEMS 发展带来希望，从我国集成电路
11、（IC）的发展历程可以更好地理解 MEMS 产业化的重要意义。第三章 MEMS技术工艺与流程3.1 MEMS关键技术MEMS 技术研究内容极为广泛，其中它的关键技术有：设计技术、材料的选择技术、制作和加工工艺（略）、封装和测试技术、多传感信息融合技术 、微能源技术、微驱动技术。制作和加工工艺将在下一章节详细介绍。（1）设计技术： MEMS 产品设计包括系统、器件、电路、封装等设计。采用 CAD 能设计出具有低成本，高性能，更为复杂的新型微系统。MEMS 器件的设计需要综合多学科理论分析，这大大增加了设计参数选择的难度，常规分析计算已无法满足设计要求。计算机技术的进步使得 CAD 技术在 MEM
12、S 器件设计中得到广泛的应用，2D和 3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的 MEMS 结构及版图进行计算机设计。有限元分析技术的应用可以精确的计算数值求解方法来分析和预测器件的性能。对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能。从而使我们能够对 MEMS 器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。（2）材料的选择技术MEMS应用材料主要有三种：单晶硅和多晶硅，压电材料和其他类型的合成材料。硅材料（单晶硅和多晶硅）：硅的机械性能好，硅的强度，硬度和扬氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钨，是制作 MEMS器件应用最为广泛的材料，在其中掺入各种杂质，能获得很好的性能。压电材料：开发研究表明，压电
13、材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统，可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景合成材料：最近几年材料结构的控制技术发展很快，在未来阶段，MEMS 应用的新材料如：化合物，高温超导材料，磁阻材料，铁电材料, 热电材料以及许多其他功能材料。这些材料是专门为 MEMS传感器研究和开发的。（3）封装和测试MEMS 的封装和测试占重要地位。建立在微电子基础上的
14、 MEMS 产品的生产工艺应该是比较成熟和可靠的，伴随着 CAD 和生产工艺要求的不断提高，提高测试和封装的水平和手段才能确保产品的高性能、高可靠性、降低生产成本。（4）多传感信息融合技术多传感器集成和信息融合技术是目前机器人技术和微机械系统的重要研究课题之一。多传感器集成是指最佳的综合使用多传感器信息，使智能系统具有完成某一特定任务所需的完备信息，然后把这些信息进行合成，形成对环境某一特征的一种表达方式，能完善地，精确地反映环境特征。而单一传感器系统只能获得环境特征地部分信息段。多传感器系统具有以下优点： 多个信息可以并行快速地分析当前地场景； 多个传感器虽然成本较高，但具有高鲁棒性可改善完
15、成特定工作指标； 在某些传感器发生故障地情形下，可以很快重组，重新投入工作。（5）微能源技术所有微型装置如微传感器，微驱动器和微处理器都需要能源驱动，而通常采用电能驱动。发展微机械系统必须弄清楚用什么能源驱动，以及如何供能。在以往的微机械系统中，常通过电缆提供电能，然而当系统微型化后，电缆的阻力变得比系统所需的工作驱动力还要大，电缆就成了系统的障碍。因此，必须开展供能系统的研究，典型的供能方法有以下两种：用电池供能：用系统内部的电池为各装置供能，典型的是用化学电池如锂电池，氧化银电池或者镍铬电池。可是由于化学电池的容量取决于其大小，很难微型化 。无接触能源供给：这种能源供给方法是利用能在空气或
16、者水中传播的能源如光，磁场，静电场，超声波和微波等通过媒介传递能源。（6）微驱动技术由于微机械的微型化和基本特征决定了微机械系统的驱动器不可能是传统驱动器的模拟缩小，而必须发展与传统驱动器有着绝然不同结构和工作原理的新型微驱动器。目前研究较多的有以下几种，在此对它们作一简单介绍和性能比较。静电型驱动器: 这种驱动器的动作范围较大，可以产生旋转运动，响应速度较高，力较小，驱动电压在 515V 左右。压电型驱动器: 这种驱动器的动作范围相对较小，一般作直线运动，但在超声马达中可旋转，响应速度较高。其主要优点是驱动力大，驱动电压在 100V左右。存在的主要问题是非线性，蠕动和滞后。超声波驱动: 动作
17、范围较大，总体性能也较好，驱动电压在 5V左右。形状记忆合金: 其他性能中等，主要的问题是由于要加热散热，响应速度太慢。热膨胀型驱动器: 利用加热相变，膨胀收缩原理，其动作范围小，只能作直线位移，旋转很困难，而且响应速度较慢。超导驱动器: 由于超导驱动器呈悬浮工作，输出力较小。3.2 MEMS制造与加工工艺MEMS 加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。主要工艺有 LIGA 工艺：光刻、电铸、塑铸。硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺。结合加工，逐次加工。加工技术主要有：物理气相淀积，化学气相淀积，电镀），真空镀膜，溶胶-凝胶，光刻，腐蚀：干法腐蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀，键合技术。物
18、理气相淀积(PVD)物理气相淀积是利用某种物理过程，例如蒸发或溅射过程来实现物质转移，即把原子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜，整个过程不涉及化学反应，常用的有真空蒸发和溅射。真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中，从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜。优点：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单。缺点：台阶覆盖能力差，工艺重复性不好，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被溅射物质，轰击被溅射物质使其原子或分子逸出
19、从而淀积到硅晶圆片上形成薄膜。这个过程就像用石头用力扔向泥浆中，会溅出许多泥点落在身上一样。优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分容易控制，较高的薄膜溅射质量，高纯靶材，高纯气体 。化学气相淀积(CVD)把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的 SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。目前常用的有常压化学气相淀积(APCVD) 、低压化学气相淀
20、积(LPCVD)以及等离子体增强化学气相淀积(PECVD)有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。相对于与 PVD 相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。电镀电镀是指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中预镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。镀层性能不同于基体金属，具有新的特征。根据镀层的功能分为防护性镀层，装饰性镀层及其它功能性镀层。真空镀膜真空镀膜是将固体材料置于真空室内，在真空条件下，使用一定的能量形态迫使固体
21、材料的原理或分子从表面脱离，并自由地弥布到容器的器壁上。当将衬底放在真空容器中时，弥布的原子或分子就会吸附在衬底上逐渐形成一层薄膜。溶胶凝胶法溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。光刻将制作在光刻掩模上的图形转移到衬底的表面上。无论加工何种微器件，微加工工艺都可以分解成薄膜淀积，光刻和刻蚀这三个工艺步骤的一个或者多个循环。光刻在 MEMS 制造过程
22、中位于首要地位，其图形分辨率、套刻精度、光刻胶侧壁形貌、光刻胶缺陷和光刻胶抗刻蚀能力等性能都直接影响到后续工艺的成败曝光方法：接触式曝光，接近式曝光，投影式曝光。正胶和负胶的比较：负性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不溶于溶剂，将想产生的图形置于掩模板上不透明的区域，则最终在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，负性光刻是最早用在半导体工艺中的。正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用中化学反应，反应后，在显影液中软化并溶解，而不曝光的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续工艺保护层，这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。腐蚀腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法
23、腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或 MEMS 工艺常用设备。 按刻蚀原理分， 可分为等离子体刻蚀 （PE：Plasma Etching） 、反应离子刻蚀（RIE：Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：Induction Couple PlasmaEtching）。固相键合技术两块固态材料之间不用任何粘合剂，而是通过化学键合物理作用将它们紧密地结合在一起的方法。在 MEMS 制造工艺中，经常要对微结
24、构进行支撑和保护，也可实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。现在常用的是硅-硅直接键合和硅-玻璃的静电键合。3.3 MEMS应用流程图 1 是一个典型的 MEMS 示意图。由传感器，信息处理单元，执行器和通讯/接口单元等组成。其输入信号是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的或/和数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其他的微系统进行通信。图 1 MEMS 示意图第四章 国内外发展状况4.1 国外MEMS技术主要研究机构美国DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。美国是 M
25、EMS产业、技术和产品的发源地，其发展水平世界领先。上世纪 60年代，斯坦福等大学就从事 MEMS领域的研究开发，佐治亚理工学院和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等众多美国大学几乎都建立有自己的 MEMS 晶圆生产线。美国麻省理工学院、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校、凯斯西储大学等还开发用于 MEMS研究的设备、仪器等，支撑其技术研究。各学校一边研究探索，同时也相互不断进行技术与业务的交流，并与产业界组建成联盟，促进 MEMS 技术及时转化成 MEMS 产品。 上世纪 90年代以后，美国开始在军用产品中推广使用 MEMS 技术和产品。美国军事研究机构 DARPA(国防高级研究计划局)是进行军
26、用 MEMS 研究项目的计划组织和推动机构。如美国军方推出的 HI-MEMS 计划中，将MEMS 器件作为昆虫仿生的重要领域；美国政府为了支持 MEMS 发展，适时推出各种促进MEMS 发展的应用规定，如美国从 2007年开始已要求所有汽车采用轮胎压力监测系统(TPMS)和电子稳定控制器(ESC)等，加大 MEMS 产品在汽车中的推广措施。 经过长期的发展，其已发展为集官、产、学、研、金融等为一体的较为完整的 MEMS 产业体系。其用来进行 MEMS产品生产的晶圆尺寸目前基本与 IC同步，呈现大口径化、智能化，与人体神经元和大脑信息互通互联，与 IC 芯片、计算机软件、数据采集和处理技术等多位
27、一体化发展的趋势。同时，应用领域也不断向军事、医疗、生物、仿生学、航空航天等领域全方位快速渗透和发展。目前美国主要的 MEMS公司有德州仪器(TI)、模拟器件(ADI)、飞思卡尔、楼氏电子(Knowles)、SiTime、惠普、IMT、SiliconMicro structures(SMI)、GE Infrastructure Sensing等。大部分半导体制造公司同时具有MEMS生产加工的业务。从美国公司新近推出的MEMS产品来看，其技术动向正在向生物神经信号提取、大脑神经元信息获取和控制、3D 环境识别、分子级化学成份识别、模拟动物及人的五官和四肢能力等方向发展。日本：汽车、机器人 MEM
28、S领先。世界前 10名 MEMS 公司日本有 4家，数量与美国相等，但销售额较美国小些。日本政府从 2007年起相继推出了与 MEMS相关的国家项目，推动 MEMS 相关开发。2007年夏季，日本文部科学省科学技术及学术政策局推出“尖端融合领域革新创造基地的形成”计划课题“微系统融合研究开发”启动了产学合作项目。日本东北大学与理光、丰田汽车等 11 家公司于 2007年夏季共同启动了产学合作项目。目标是通过走在 MEMS 领域前沿的研究小组与拥有具体应用对象的企业合作，使各种 MEMS 技术尽快达到实用水平。2009年日本在经济产业省的主导下设立名为 JMEC(Japan MEMS Enhan
29、cementConsortium)的 MEMS 研发机构，力争成为国际性的开放式产官学协作研发基地。JMEC 设在日本产业综合研究所、物质材料机构及筑波大学联手的纳米科技研发基地“筑波纳米科技基地”内，成为 MEMS 相关项目的运营母体。筑波纳米科技基地是日本经济产业省及文部科学省投资 361亿日元设立的纳米科技及 MEMS 相关研究基础设施。JMEC 主要以 MEMS为对象，除了 MEMS 领域的尖端研发之外，还考虑与设计试制服务以及人才培养相结合。在尖端研发方面，瞄准与大学及产综研等公共研究机构未涉及的接近于应用的研发领域，致力于由企业单独从事高风险较大的研究课题。 如果 JMEC在项目开
30、发上取得成功，则有可能作为风险企业独立出去。在设计试制服务方面，提供以大生产为前提的民间 MEMS 代工无法满足的少量试制服务。推动风险企业开展业务。元器件厂商、装置及材料厂商、设计工具提供商和汽车、机器人、电机厂商以及大学、公立实验研究机构等参与其中，JMEC根据加盟企业的意见来确定具体的运营方法。日本主要的 MEMS公司有丰田电装 DENSO、松下、欧姆龙(Moron)、Mitsubishi、冲电气(Loki)、村田制作所(Muralist)、爱普生、三菱电机、夏普等。日本 MEMS 公司的最新技术发展动向主要有：智能视觉传感器、快速图像检索、人机接口 MEMS 器件、智能汽车感应系统等。
31、如：日本东京早稻田大学研制出通过肺、舌头、声带和喉咙发出声音的机器人 WT-4，使科学家们对大脑如何控制说话系统有了更深的了解。WT-4不仅使用机器肺脏与声带，还增加了机动灵活的舌头、柔软的上腭、嘴唇和牙齿，能够更加清晰地读出日本字母发音等，能模仿人类的声音。欧洲：生物、医疗、汽车三驾马车并行。研发动向主要有车用自发电和人体自发电 MEMS器件以及智能假肢及医疗用 MEMS 等。 据报道，欧洲目前约有 100家 MEMS 芯片研发和生产机构，研发人员超过 7500人，拥有世界一流的 MEMS 研发基地和环境设施。 位于比利时的研发机构 IMEC 以国际性开放式产官学协作研发为发展目标，从事包括
32、 MEMS 设备在内的专用半导体设备的研制。欧洲的 MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、VTI科技、声扬(Onion MEMSA/S)、Measurement Specialties(MSI)、Colliery、Escapement 等公司。欧洲MEMS公司的最新技术研发动向主要有车用自发电MEMS器件、人体自发电MEMS器件、智能假肢及医疗用 MEMS 等。如：德国发明最小超微硅纳米谐振器，这一发明可进一步提高纳米级微观结构成像的分辨率，对医学等领域的研究具有重要意义。伊尔姆瑙理工大学制成的这种纳米谐振器的宽度只有 16 纳米，可用作原子力显微镜探针。原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体
33、在内的固体材料表面结构的分析仪器。其关键部件是一个对力非常敏感的微悬臂，悬臂尖端带有一个用来扫描样品表面的微小探针。4.2 国外发展现状MEMS 随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展，MEMS 是感知、计算和执行的融合，它把电子技术与机械特性有机地结合了起来，可同时实现物理、化学、生物等方面的功能，现已渗透到电子、机械、物理、化学、医学、生物等各个领域，变成世界瞩目的重大科技领域之一，并具有广阔的前景。传感器已属于 WSTS 的统计项目之一，2012年销售值 80亿美元，占整个半导体市场的 2.7%，2013年增长 4.5%，达 84 亿美元，占 2.8%，明年进一步
34、上扬 7.1%，达 90亿美元，占 2.9%，2015年续增 5.5%达 95 亿美元，占 2.9%，保持着年年成长的趋势。另外，Brainchild Semiconductor公司 MEMS与传感器解决方案副总裁 JanuaryBreeze 从出货量方面进行了预测，他说未来世界 MEMS 传感器的应用有可能达到万亿片的规模，展望 2023年，MEMS 芯片出货量估计可达 1630亿片，半导体芯片则为 1.95万亿片，MEMS芯片出货量占半导体量的比重将从 2010年的 3%提高到2023年的 8%。图 2还告诉我们，从今往后两者出货量的发展速度会愈来愈快，MEMS 的增速将从每年 13%，提
35、高到 38%，半导体则将从 9%提升到 27%，前者的成长速度更胜于后者。图 2 世界半导体和 MEMS 市场的发展资料来源：Brainchild Semiconductor 公司根据 Dole Developer 发布的最新的全球前三十名 MEMS 厂商排名，如图 3 所示，该排名显示了未来的“MEMS 的巨人”：博世。由于 iPhone6 采用了博士的传感器，2014年其MEMS营收增长了 20%，超过 12亿美元。进一步拉大了与第二名 ST 的差距，目前双方相差 4亿美元。图 3 2014 年全球前三十名 MEMS 厂商排名2014年排名前五位厂商与 2013年相同，但是博世的“分量”越
36、来越大，约占前五位厂商合计营收（38亿美元）的三分之一。而这五家约占全球 MEMS市场规模的三分之一。鉴于MEMS 拥有良好的市场前景，去年全球排名前三十名的厂商大部分都实现增长。2014年其它值得关注的信息：德州仪器的销售出现小幅增长，主要受益于其 DLP投影业务。RF公司也有令人印象深刻的增长，如 Avago 增长 23%，接近 4 亿美元；Fervor（原为Intriguing）增长 141%，达到 3.5 亿美元。同时，惯性传感器市场持续增长。Insensate 受益于此，2014年营收继续上升，增长了 32%，达到 3.29亿美元。加速度计、陀螺仪和磁力计不再是促使 MEMS公司增长
37、的“三驾马车”，压力传感器市场也取得不错的进展，尤其是在汽车和消费电子领域。具体来说，飞思卡尔的压力传感器营收增长了 33%，主要由胎压监测系统（TPMS）业务驱动。不利的信息：喷墨打印头相关公司面临艰难的时刻，惠普和佳能的营收均减少。然而，新的市场正在出现。MEMS 技术将取代激光打印技术和喷墨压电加工技术，渗透至办公室和工业领域。4.3 国内主要研究机构北京大学 微电子学院-微机电系统研究所北京大学微电子研究院微机电系统研究所成立于 1995年，在王阳元院士和武国英教授领导下，从硅基加工技术的角度来开展微机电系统的研究。从 1996年开始承担了“微米/纳米加工技术国家重点实验室“建设项目，
38、以硅基 MEMS 加工和设计技术为主，同时承担多项MEMS 研究课题。于 1998年 4 月完成实验室建设项目验收，有工艺实验室 900 平米和具有国际先进水平的完善的 MEMS 加工设备，是国家微机电系统研究的重要加工基地和研究基地。清华大学 微电子技术研究所微纳器件与系统研究室微纳器件与系统研究室主要研究各种新型微纳器件以及由它们构成的系统，研究范围是：新器件与系统、新技术与工艺、新电路与模型、新材料与结构、新概念与原理。目前有两个主要研究方向：新型微电子器件与系统，纳电子学。仪器科学与技术研究所围绕现代科学仪器的研究领域，主要研究方向包括微米纳米技术、光存储技术、精密仪器和测试技术、导航
39、与控制技术、传感技术与智能仪器、智能微系统及控制技术和生命科学仪器等，是一个多学科交叉的与校外企业和研究单位有广泛联系的以一级学科建立起来的教学研究单位。中科院微电子所 纳米加工与新器件集成技术实验室中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室在国内最早开展亚微米微细加工技术研究，该研究室同时也是国家纳米科学中心协作实验室。研究室拥有一个面积达500平方米，最高洁净度达 100级的微纳米加工平台和电子束光刻公共平台。研究室主要研究方向是：下一代存储技术；衍射光学与纳米传感器；有机器件和电路；先进掩模制造与电子束光刻技术。重庆大学 光电学院/微系统中心|新型微纳器件与系统技术国防重点学科
40、实验室中心承担和完成了国家“863”MEMS 重大专项、国家“973”“微光机电系统”、总装备部“微米/纳米专项”、国家自然科学基金委“重大项目”、国家“科技攻关”和重庆市“科技攻关”等国家和省部级项目 40 余项，经费近 3500万元；和德国政府科教部已签订达 1250万欧元的合作研究项目。研制出的“微型光谱分析系统”、府科教部已签订达 1250万欧元的合作研究项目。研制出的“微型光谱分析系统”、“微型生化光谱分析仪器”达到国际先进水平，现在正在产业化研究开发和试生产。“基于 MEMS 的人体腔道诊疗系统”样机已完成动物实验，进入临床实验阶段。申请专利近 40项，发表论文 200余篇；已形成
41、具有自身特色的研究方向、在国内外具有重要影响的微光机电系统技术研究和产业化的工程中心。东南大学 电子科学与工程学院/MEMS 教育部重点实验室东南大学以电子科学与工程学院的微电子学与固体电子学学科为主题、结合工程力学系和机械工程学院相关课题组，组建了跨学科的研究结构，于 1999 年申请建立教育部重点实验室。实验室 2000年 6 月通过教育部可行性论证、2001年 9 月通过教育部验收、2002年 11 月通过教育部评估。南京理工大学 机械工程学院/MEMS 惯性技术研究中心中国电子科技集团公司第 55 研究所 南京电子器件研究所 MEMS 中心南京电子器件研究所的 MEMS 研究始于 20
42、00年，以对硅基 RF MEMS 的研究为切入点，展开 MEMS 的研究。2002年成立了 MEMS 科研中心，并开始筹建 MEMS研发生产线。中心以硅基 MEMS 研究为主，拟建立集设计平台、工艺加工技术平台、测试分析技术平台、MEMS 高性能封装平台及可靠性试验平台一体化的 MEMS 工艺技术平台，以形成支撑 MEMS 研究和产业化发展的技术平台为目标，实现批量生产和提供 MEMS技术服务，建立具有国际竞争力的 MEMS 研发体系和 MEMS 设计与生产基地。中国电子科技集团公司第十三研究所中国电子科技集团公司第十三研究所（以下简称十三所）是在国家第一个“十二年科学发展规划”指导下于 19
43、56年建立的。专业方向主要涉及微电子、光电子和微机械电子系统（MEMS）等三大半导体技术领域。三所的 MEMS 技术研究起始于 1990年前后，十三所和清华大学、北京大学被确定为国家发展 MEMS 技术的“金三角”。1996年，建立了全国最早的 MEMS 加工工艺线，成立了专门从事 MEMS 技术研究和开发的微米/纳米研究中心，成为国内首批建立的 MEMS 设计、加工、封装和测试一体化的工程化研究中心，研究领域涉及 MEMS 惯性器件、MEMS 传感器、MEMS微波器件、MEMS 光器件以及 NEMS 和纳电子器件等。4.4 国内现状GSII 对国内 50 多家进行 MEMS 传感器研发及生产
44、的企业进行了调研，根据其企业规模、技术研发实力及专利、市场地位、企业经营能力、品牌知名度、创新力度、所属市场趋势等为考察点，总结出了“2011 年中国 MEMS 传感器企业 10 强”排行榜，分别是西安中星测控有限公司、苏州敏芯微电子技术有限公司、歌尔声学股份有限公司、瑞声科技控股有限公司、青岛元芯微系统科技有限责任公司，深迪半导体有限责任公司、美新半导体无锡有限公司，重庆金山科技有限公司，宝鸡秦明传感器有限公司、北京昆仑海岸传感技术有限公司。这里介绍 3家企业。中星测控：研发实力雄厚。当前的产品主要是 MEMS 惯性传感器、压力传感器、汽车电子等，包括角速率传感器和加速度传感器、惯性测量单元
45、、航姿系统、压力变送器、智能测力传感器、电流电压传感器和汽车转速、轮速传感器等，上述产品已获得 16项国家专利。该公司的亮点在于目前设有的四个研究机构：惯性产品研究室、光电传感研究室、汽车电子研究室和力与压力研究室。拥有 100多名员工的中星测控，具有较强的研发实力，研发团队由多名博士、硕士、专家教授近 30人组成，90%以上员工为大学以上学历。此外，目前传感器市场中占比最大的为惯性传感器、压力传感器及温度传感器，手握两大类多种传感器产品及专利的中星测控，已经成为陕西 MEMS 产业集群当中的一大龙头。敏芯微电子：具有独特技术 。专注于 MEMS 微型硅麦克风、硅压力传感器技术研发的企业。该公
46、司已经成功研发面向 MEMS 微硅传感器制成的 SENSA 工艺(密封气腔体之上的硅外延层工艺)，并将将该工艺应用于公司生产的微硅压力传感芯片 MSP 系列产品中，提升传感芯片的尺寸、精度、可靠性、可加工性的参数，以及降低成本。迄今为止，只有德国、意大利与美国的少数知名半导体企业掌握了类似技术，并且实行技术垄断，而敏芯微电子已经在中国大陆与美国申请了该技术的专利，并且成功获得了授权。青鸟元芯：老牌厂商蓄力待发。作为国内老牌的微型湿度传感器、MEMS 压力传感器、加速度传感器研发厂家，青鸟元芯以“北京大学微电子学研究院”、“微米/纳米加工技术国家级重点实验室”为技术依托，同时还与各大学、一汽集团
47、、电子科技集团传感技术研究所等国内外著名科研院所保持着密切的合作。强大的人才优势和雄厚的技术基础，使其在技术上具有明显的竞争力。目前，青鸟元芯已经批量生产系列化微型湿度传感器及模块、MEMS压力传感器芯片、MEMS 压力传感器、加速度传感器及相关传感器模块，以及提供解决方案。同时，该公司采用具有国际先进水平的 MEMS设备生产，生产能力达到月产传感器十万只以上；产品的测试环境也居国内先进水平。中国 MEMS 产业前景非常好，大量资本涌入，目前国内 MEMS 代工厂主要有华润上华、中芯国际、上海先进等，工艺开发是目前代工厂面临的主要问题之一。单从硬件来看，海外成功的代工厂在设备上与国内代工厂不相
48、上下。以 APM 为例，APM 的 MEMS 代工全球排名前十，基础设备为二手 6 英寸 0.25um 制程 CMOS 产线，后补充增加高深宽比反应离子刻蚀机，与国内动辄 8 英寸产线相比，大部分设备并不算非常先进。目前来看，国内 MEMS产线投资旺盛，一大批项目将上线围绕晶圆代工形成产业集群。正在建设的项目绝大多数定位为 IDM+代工的模式，如洛阳力盛芯 8 英寸光 MEMS产线、辽宁抚顺罕王集团 8 英寸产线、中电 13 所 6 英寸产线，另外还有淄博 4 英寸中试线、蚌埠 6 英寸中试线以及苏州工业园的 6英寸代工线等。2015年，MEMS 产线将陆续建成，形成近 85万片的年产能，但仅
49、从目前国内 MEMS订单来看，远远不能满足这些产线的需要。2015年，苏州纳米城引进了集 MEMS 设计、制造、封测为一体的 MEMSRIGHT 公司，以及具备相当产能的传感器封测企业晶方半导体等，可以说已经形成了较完整的 MEMS 产业链。4.5 中国MEMS产业存在的问题尽管中国的 MEMS 产业面临良好的发展机遇，但不容忽视的是，与国外 MEMS 产业界相比，目前国内 MEMS 产业的发展存在以下问题。缺乏 MEMS 产业链的支持。国内要发展 MEMS 产业，则必须要象半导体产业那样建立从器件模型、模拟工具、制造加工到封装测试等完整产业链的支持。虽然目前国内有发展MEMS 产业链良好的工业基础，但是由于代工厂以及封装厂对新兴 MEMS 产业的陌生，并没有开展相关 MEMS 业务。此外，代工厂以及封装厂也缺乏相关技术来源。上述因素导致中国在 MEMS 产业链方面的建设基本处于空白状态。缺乏高端研发人员，与欧美发达国家相比，我们的研发水平相对较低，从基础研究上就处于落后地位；亦缺乏经验丰富的本土 MEMS 工程师，导致产业化难度较大。没有 MEMS 产业的工业积累，国内一些科研院所普遍仍处于摸索状态，基本集中于某些不计成本、满足特定目的、小批量的特种 MEMS 传感器产品制造，如国防应用。国内创业环境较差，对很多 MEMS 初创公司来说较难募
