诺贝尔物理奖得主理查德•费曼（Richard Feynman）1959 年发文指出，在微尺度上操控物体的研究还是一片空白，并预言该领域“将会有大量新技术和新应用出现”。此后许多科学家致力于微米技术和纳米技术的研究，并由此产生了微机电系统技术。通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，微机电系统无疑开辟了一个崭新的领域，将对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科技产生重大影响。经过20 多年的发展，国内外对微机电系统技术研究及产业化开展了大量研究和实践，取得了重要进展。
一、概念和特点
微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）又称为微机械（Micro Machine）或微系统（Micro System），是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。微机电系统主要由微型传感器、执行器和处理电路三部分构成。它可以采集外部的运动、光、声、热、磁等自然界信号，由微传感器转换成电信号，经过微处理单元处理后，由微执行器执行动作，与外部环境进行“互动”。微机电技术属于交叉技术领域，其与不同的领域技术结合，可以制造出各种类型的器件，如压力传感器、加速器、陀螺仪、生物传感器、微开关等等。MEMS 的出现开辟了全新的技术领域并推动了其它领域技术、产业的快速发展。
MEMS 是目前科技界公认最具发展潜力的研究领域之一。与传统机电系统相比，微机电系统具有以下特点：
一是尺寸小，成本低。相对于传统的机电系统，MEMS 器件尺寸非常小，且具有功耗低、灵敏度高、可阵列化等优点。MEMS 的发展将极大的促进产品的微型化、集成化与便携化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，节能、节材效果明显。
二是应用广，带动大。MEMS 在汽车电子、生物医药、消费电子、航空航天、环境监控、能源、军事等领域有广泛的应用（见图1）。随着任天堂Wii 游戏机及苹果iPhone 手机等产品的推出，MEMS 在消费电子领域应用迅速壮大。目前MEMS 已经进入技术全面进步和产业快速起步阶段，对各领域尤其是消费电子领域的发展起到了很好的推动作用。根据The Information Network 公司测算，2008 年全球MEMS 在消费电子领域的市场规模已达到35 亿美元，预计到2012 年可增长至71 亿美元。
图1 MEMS主要应用领域
三是集成化，跨学科。MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统；同时，微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
需要指出的是，MEMS 技术是迈向纳米级系统的重要技术。发展MEMS 技术一方面可以推动原子/分子组装技术、精细加工技术的研发，为纳米器件研发奠定技术基础；另一方面可以为微小型机电系统的应用培育市场，积累经验，为今后纳米器件的推广奠定产业化基础。
二、国外发展现状
许多发达国家和地区高度重视 MEMS 技术的发展。美国把MEMS 作为科技发展的三大重点领域之一，其技术创新领先全球。欧盟积极鼓励MEMS 技术研发，制定了多个支持计划促进MEMS 技术进步和产业化进程。日本近年来推出了若干国家级项目，结合生物、纳米技术等开展MEMS新应用研究。澳大利亚、加拿大、新加坡、韩国、中国台湾地区均纷纷设立大型科研项目计划，开展MEMS 研发工作。国外MEMS 的发展主要呈现以下特点：
一是各类应用技术发展迅速，加工技术标准化逐步形成。当前，传感MEMS 技术方面，已具备生产毫米级各类传感器的能力；生物MEMS技术方面，已研制出多种临床化验分析器、基因分析器及介入治疗器等；光学MEMS 技术（微光机电系统）方面，可制造体积小成本低的可变式光衰减器、厘米级尺寸的光开关列阵等产品；射频MEMS 技术方面，单片晶圆片上已具备量产1 万个微麦克风的能力。MEMS 在多领域尤其是消费电子领域中的广泛应用，促使其技术更加强调规模化、批量化和加工制造技术标准化。以德国为代表的LIGA（德文Lithograpie-光刻、Galvanoformung-电铸和Abformung-铸塑）技术，由于具有与传统集成电路工艺兼容及适于批量生产等优势，已成为MEMS 器件的主流微加工技术。同时，MEMS 加工工艺与集成电路CMOS 生产工艺融合的趋势进一步加强，微加工技术标准化逐步形成。结合成熟的CMOS 工艺生产MEMS产品有利于实现批量化生产，降低成本。此方法已被美国德州仪器公司用于投影仪数字微镜元件的生产。随着MEMS 技术创新、应用创新的不断涌现，这一趋势在未来几年内还将持续。
二是专业创新公司逐步兴起，代工生产模式发展壮大。MEMS 器件设计规则正由定制转向标准化。据估计，标准化后单个产品的开发周期将会由原来的5-7 年缩短至1-3 年。设计的标准化带动了具有专有技术的无生产线型（fabless）MEMS 创新设计公司的兴起。这些公司的核心竞争力在于技术、产品的创新和知识产权，而产品的生产主要依赖代工或直接以研发成果为产品。设计标准化的推进、大量fabless 型态新兴公司的出现和市场需求的升温，极大的促进了MEMS 代工生产模式的发展壮大。近年来台积电、联电等半导体代工企业正积极投资MEMS 的代工生产，目前台积电已获得美国亚德诺（ADI）的代工订单生产喷墨印刷头。另外包括日月光、矽格、菱生等后段封测企业也在积极开展MEMS 相关业务。
三是产业发展势头迅猛，各国努力打造特色产业。各国均出台政策、提供资金扶持MEMS 新技术产业化。根据The Information Network 公司预估，2008 年全球MEMS 市场规模约为78 亿美元，到2012 年预计可达154 亿美元。其中美国和欧洲在产业化方面非常成功，目前全球MEMS主要器件的生产均由北美与欧洲地区IDM （ Integrated DeviceManufacturers）企业垄断。如：光源投影机MEMS 组件领域由德州仪器（Texas Instruments）掌控，汽车电子领域由博世科技（Bosch）掌控，消费电子领域意法半导体（ST Microelectronics）领先，而惠普（HP）等掌控打印机喷墨头市场等。另外，各国在推进MEMS 产业化时均充分考虑自身优势，努力打造特色产业。美国在发展初期侧重MEMS 传感器的研发，近几十年成立的很多MEMS 创新公司成为技术创新、产业发展的支撑力量。欧洲公司锁定的目标是汽车电子领域，其MEMS 产业发展时间长，专利技术成果多，未来发展前景较好。日本重点发展工业狭窄空间微机器人、医疗微系统和微型工厂等，近几年对新兴应用领域研究也在逐步加强。瑞士MEMS 技术主要为钟表相关领域服务。
三、国内发展现状
上世纪90 年代开始，国内就通过基础研究项目、863 计划、973 计划支持MEMS 研发，并提出到2011 年成为全球最大的MEMS 传感器、致动器市场的计划。国内MEMS 发展主要有以下特点：
一是“抢滩”布局不断加速。北京、陕西和江苏是国内MEMS 企业、研发机构最集中的省市。北京的高校和研究所众多，科研实力雄厚，清华大学在国内最早开展MEMS 技术研究。陕西教育、科研实力较强，是我国重要的航空研发制造基地，这为其发展MEMS 产业的有利条件。江苏各级政府部门对高新技术产业支持力度很大，目前苏州市正在着力打造生物纳米科技园，无锡市也正在积极建设中国微纳国际创新园。此外重庆、山东、河北、辽宁和广东等省市也有一定的研发实力和产业化基础。
二是产品门类少，技术含量偏低。国内MEMS 产品门类相对较少，主要以惯性器件和压力传感器为主，且多是中低端产品，创新性强的新器件、新系统鲜有出现。压力传感器和惯性传感器是国内的主要产品，生产单位众多，另外在声学传感器、MEMS 地震检波器、生物医疗MEMS 产品等方面均有公司涉及。目前，中芯国际、长电科技等芯片制造企业也开始研发基于CMOS 工艺、设备的 MEMS 技术，但主要瞄准的能够大批量生产的MEMS 产品。如中芯国际目前只是根据现有设备列出工艺清单供MEMS 企业选择，不能承担特殊工艺生产，也不接受小批量和试制代工。
三是规模较小，技术来源单一。国内MEMS 产业化发展起步较晚，目前市场由跨国公司主导，本土企业规模尚小，研发实力存在一定差距。国内企业技术来源基本为三类：一是高校、研究所及由其孵化的科技企业，如北京青鸟元芯等；二是军工研究所等军转民企业，如电子24 所、13 所等；三是海外留学人员归国创业，如：美新半导体、深迪半导体等。总体来说，企业的MEMS 研发大多依托高校、研究所，这两类机构不但承担了相当数量的新产品及制造工艺的开发，而且部分机构还提供小批量的试制生产业务，如中科院上海微系统与信息技术研究所就一直提供MEMS元器件代工生产服务。
四、推进上海微机电系统产业发展的建议
上海MEMS 产业的综合实力仅次于北京，拥有众多的国家级研究机构及创新生产企业。复旦大学是国内MEMS 理论研究实力最强的机构之一，压阻传感器研究国内领先。交大微纳科学技术研究院在非硅材料的MEMS 工艺研发方面国内领先，在利用LIGA 技术制作高深宽比微结构的加工技术、紫外深度光刻、高深宽比微电铸和模铸加工等方面技术积累丰富。中科院上海微系统所是国内MEMS 制作设备最齐全的机构之一，可提供各种硅基工艺代工及封装服务。深迪半导体已成功开发出第一款具有自主知识产权的商用MEMS 陀螺仪，打破了一直以来完全依赖进口的局面。美新半导体是在美国纳斯达克上市的第一家也是目前唯一一家专业从事MEMS 生产的企业。但是，上海MEMS 产业发展仍存一些问题和制约：如条块分割、力量分散，投入不足，尽管已有不少成果，但在产业化及产品质量、性能价格比等方面与国外有较大差距。
为了抓住 MEMS 产业发展机遇，抢占产业链高端，提出以下建议：
一是以 MEMS 与芯片代工业结合发展为切入点，推进产业发展。当前，国内一些芯片制造、封装代工企业已开始积极布局MEMS 代工领域。如中芯国际已经开始利用天津工厂的200mm芯片生产线开展MEMS代工业务。上海是国内集成电路产业链最完整的地区之一，在产业能级和技术实力上都处于领先地位。因此，上海发展MEMS 产业可以和芯片代工生产线升级改造结合起来，将闲置产能改造为MEMS 器件生产线，打造国内MEMS 代工生产基地。在形成一定产业规模后，吸引研发、专业设计公司落户，带动整个产业链的发展。。
二是以优势高校和科研机构为依托，加快技术产业化。国内早在上世纪80 年代就已经开始开展MEMS 相关领域技术研发活动，但是目前MEMS 技术研发成果还多集中在高校、研究机构，产业化效果不明显。中科院上海微系统所是国内MEMS 领域研发实力最强的单位之一，已经积累了一些产业化经验。建议在继续推进MEMS 理论与技术研究的同时，可以以此类研究机构为依托，鼓励机构研究人员注册成立企业，促进成熟成果转移，开展独立运作，推动技术产业化。
三是以高新区和专业孵化器为基地，培育产业集群。美国近些年培育的大量中小型MEMS 创新公司，已成为美国MEMS 发展的支撑力量。上海应抓住机遇，不断优化张江高新区的发展环境，鼓励专业孵化器的建设，在支持大企业涉足MEMS 领域的同时，积极支持中小企业的发展，大量培育以MEMS 技术创新为主业的小型企业，同时注重结构合理的产业集群培育，使上海成为国内MEMS 技术、应用创新中心。
四是以开放式合作研发平台为纽带，加强产业链互动。当前MEMS仍多由各独立企业采用专有工艺生产，基于CMOS 技术的标准化工艺仍在开发进程当中，尚未完全成熟，上海应从产业链角度，鼓励设计、制造、系统应用等企业合作建立开放研发平台，开发标准生产工艺，加速MEMS产业升级。此外通过搭建平台促进产业链合作，加强MEMS 整体方案的开发，推进MEMS 产业化应用进程。
（本文转自《科技发展研究》第 17 期）
