諾貝爾物理獎得主理查德•費曼（Richard Feynman）1959 年發文指出，在微尺度上操控物體的研究還是一片空白，并預言該領域“將會有大量新技術和新應用出現”。此后許多科學家致力于微米技術和納米技術的研究，并由此產生了微機電系統技術。通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統，微機電系統無疑開辟了一個嶄新的領域，將對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科技產生重大影響。經過20 多年的發展，國內外對微機電系統技術研究及產業化開展了大量研究和實踐，取得了重要進展。
一、概念和特點
微機電系統（Micro Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS）又稱為微機械（Micro Machine）或微系統（Micro System），是指以集成電路等工藝批量制造的，具有毫米級尺寸和微米級分辨力的微細集成設備或系統。微機電系統主要由微型傳感器、執行器和處理電路三部分構成。它可以采集外部的運動、光、聲、熱、磁等自然界信號，由微傳感器轉換成電信號，經過微處理單元處理后，由微執行器執行動作，與外部環境進行“互動”。微機電技術屬于交叉技術領域，其與不同的領域技術結合，可以制造出各種類型的器件，如壓力傳感器、加速器、陀螺儀、生物傳感器、微開關等等。MEMS 的出現開辟了全新的技術領域并推動了其它領域技術、產業的快速發展。
MEMS 是目前科技界公認最具發展潛力的研究領域之一。與傳統機電系統相比，微機電系統具有以下特點：
一是尺寸小，成本低。相對于傳統的機電系統，MEMS 器件尺寸非常小，且具有功耗低、靈敏度高、可陣列化等優點。MEMS 的發展將極大的促進產品的微型化、集成化與便攜化，成數量級的提高器件與系統的功能密度、信息密度與互連密度，節能、節材效果明顯。
二是應用廣，帶動大。MEMS 在汽車電子、生物醫藥、消費電子、航空航天、環境監控、能源、軍事等領域有廣泛的應用（見圖1）。隨著任天堂Wii 游戲機及蘋果iPhone 手機等產品的推出，MEMS 在消費電子領域應用迅速壯大。目前MEMS 已經進入技術全面進步和產業快速起步階段，對各領域尤其是消費電子領域的發展起到了很好的推動作用。根據The Information Network 公司測算，2008 年全球MEMS 在消費電子領域的市場規模已達到35 億美元，預計到2012 年可增長至71 億美元。
圖1 MEMS主要應用領域
三是集成化，跨學科。MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統；同時，微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的MEMS。
需要指出的是，MEMS 技術是邁向納米級系統的重要技術。發展MEMS 技術一方面可以推動原子/分子組裝技術、精細加工技術的研發，為納米器件研發奠定技術基礎；另一方面可以為微小型機電系統的應用培育市場，積累經驗，為今后納米器件的推廣奠定產業化基礎。
二、國外發展現狀
許多發達國家和地區高度重視 MEMS 技術的發展。美國把MEMS 作為科技發展的三大重點領域之一，其技術創新領先全球。歐盟積極鼓勵MEMS 技術研發，制定了多個支持計劃促進MEMS 技術進步和產業化進程。日本近年來推出了若干國家級項目，結合生物、納米技術等開展MEMS新應用研究。澳大利亞、加拿大、新加坡、韓國、中國臺灣地區均紛紛設立大型科研項目計劃，開展MEMS 研發工作。國外MEMS 的發展主要呈現以下特點：
一是各類應用技術發展迅速，加工技術標準化逐步形成。當前，傳感MEMS 技術方面，已具備生產毫米級各類傳感器的能力；生物MEMS技術方面，已研制出多種臨床化驗分析器、基因分析器及介入治療器等；光學MEMS 技術（微光機電系統）方面，可制造體積小成本低的可變式光衰減器、厘米級尺寸的光開關列陣等產品；射頻MEMS 技術方面，單片晶圓片上已具備量產1 萬個微麥克風的能力。MEMS 在多領域尤其是消費電子領域中的廣泛應用，促使其技術更加強調規模化、批量化和加工制造技術標準化。以德國為代表的LIGA（德文Lithograpie-光刻、Galvanoformung-電鑄和Abformung-鑄塑）技術，由于具有與傳統集成電路工藝兼容及適于批量生產等優勢，已成為MEMS 器件的主流微加工技術。同時，MEMS 加工工藝與集成電路CMOS 生產工藝融合的趨勢進一步加強，微加工技術標準化逐步形成。結合成熟的CMOS 工藝生產MEMS產品有利于實現批量化生產，降低成本。此方法已被美國德州儀器公司用于投影儀數字微鏡元件的生產。隨著MEMS 技術創新、應用創新的不斷涌現，這一趨勢在未來幾年內還將持續。
二是專業創新公司逐步興起，代工生產模式發展壯大。MEMS 器件設計規則正由定制轉向標準化。據估計，標準化后單個產品的開發周期將會由原來的5-7 年縮短至1-3 年。設計的標準化帶動了具有專有技術的無生產線型（fabless）MEMS 創新設計公司的興起。這些公司的核心競爭力在于技術、產品的創新和知識產權，而產品的生產主要依賴代工或直接以研發成果為產品。設計標準化的推進、大量fabless 型態新興公司的出現和市場需求的升溫，極大的促進了MEMS 代工生產模式的發展壯大。近年來臺積電、聯電等半導體代工企業正積極投資MEMS 的代工生產，目前臺積電已獲得美國亞德諾（ADI）的代工訂單生產噴墨印刷頭。另外包括日月光、矽格、菱生等后段封測企業也在積極開展MEMS 相關業務。
三是產業發展勢頭迅猛，各國努力打造特色產業。各國均出臺政策、提供資金扶持MEMS 新技術產業化。根據The Information Network 公司預估，2008 年全球MEMS 市場規模約為78 億美元，到2012 年預計可達154 億美元。其中美國和歐洲在產業化方面非常成功，目前全球MEMS主要器件的生產均由北美與歐洲地區IDM （ Integrated DeviceManufacturers）企業壟斷。如：光源投影機MEMS 組件領域由德州儀器（Texas Instruments）掌控，汽車電子領域由博世科技（Bosch）掌控，消費電子領域意法半導體（ST Microelectronics）領先，而惠普（HP）等掌控打印機噴墨頭市場等。另外，各國在推進MEMS 產業化時均充分考慮自身優勢，努力打造特色產業。美國在發展初期側重MEMS 傳感器的研發，近幾十年成立的很多MEMS 創新公司成為技術創新、產業發展的支撐力量。歐洲公司鎖定的目標是汽車電子領域，其MEMS 產業發展時間長，專利技術成果多，未來發展前景較好。日本重點發展工業狹窄空間微機器人、醫療微系統和微型工廠等，近幾年對新興應用領域研究也在逐步加強。瑞士MEMS 技術主要為鐘表相關領域服務。
三、國內發展現狀
上世紀90 年代開始，國內就通過基礎研究項目、863 計劃、973 計劃支持MEMS 研發，并提出到2011 年成為全球最大的MEMS 傳感器、致動器市場的計劃。國內MEMS 發展主要有以下特點：
一是“搶灘”布局不斷加速。北京、陜西和江蘇是國內MEMS 企業、研發機構最集中的省市。北京的高校和研究所眾多，科研實力雄厚，清華大學在國內最早開展MEMS 技術研究。陜西教育、科研實力較強，是我國重要的航空研發制造基地，這為其發展MEMS 產業的有利條件。江蘇各級政府部門對高新技術產業支持力度很大，目前蘇州市正在著力打造生物納米科技園，無錫市也正在積極建設中國微納國際創新園。此外重慶、山東、河北、遼寧和廣東等省市也有一定的研發實力和產業化基礎。
二是產品門類少，技術含量偏低。國內MEMS 產品門類相對較少，主要以慣性器件和壓力傳感器為主，且多是中低端產品，創新性強的新器件、新系統鮮有出現。壓力傳感器和慣性傳感器是國內的主要產品，生產單位眾多，另外在聲學傳感器、MEMS 地震檢波器、生物醫療MEMS 產品等方面均有公司涉及。目前，中芯國際、長電科技等芯片制造企業也開始研發基于CMOS 工藝、設備的 MEMS 技術，但主要瞄準的能夠大批量生產的MEMS 產品。如中芯國際目前只是根據現有設備列出工藝清單供MEMS 企業選擇，不能承擔特殊工藝生產，也不接受小批量和試制代工。
三是規模較小，技術來源單一。國內MEMS 產業化發展起步較晚，目前市場由跨國公司主導，本土企業規模尚小，研發實力存在一定差距。國內企業技術來源基本為三類：一是高校、研究所及由其孵化的科技企業，如北京青鳥元芯等；二是軍工研究所等軍轉民企業，如電子24 所、13 所等；三是海外留學人員歸國創業，如：美新半導體、深迪半導體等。總體來說，企業的MEMS 研發大多依托高校、研究所，這兩類機構不但承擔了相當數量的新產品及制造工藝的開發，而且部分機構還提供小批量的試制生產業務，如中科院上海微系統與信息技術研究所就一直提供MEMS元器件代工生產服務。
四、推進上海微機電系統產業發展的建議
上海MEMS 產業的綜合實力僅次于北京，擁有眾多的國家級研究機構及創新生產企業。復旦大學是國內MEMS 理論研究實力最強的機構之一，壓阻傳感器研究國內領先。交大微納科學技術研究院在非硅材料的MEMS 工藝研發方面國內領先，在利用LIGA 技術制作高深寬比微結構的加工技術、紫外深度光刻、高深寬比微電鑄和模鑄加工等方面技術積累豐富。中科院上海微系統所是國內MEMS 制作設備最齊全的機構之一，可提供各種硅基工藝代工及封裝服務。深迪半導體已成功開發出第一款具有自主知識產權的商用MEMS 陀螺儀，打破了一直以來完全依賴進口的局面。美新半導體是在美國納斯達克上市的第一家也是目前唯一一家專業從事MEMS 生產的企業。但是，上海MEMS 產業發展仍存一些問題和制約：如條塊分割、力量分散，投入不足，盡管已有不少成果，但在產業化及產品質量、性能價格比等方面與國外有較大差距。
為了抓住 MEMS 產業發展機遇，搶占產業鏈高端，提出以下建議：
一是以 MEMS 與芯片代工業結合發展為切入點，推進產業發展。當前，國內一些芯片制造、封裝代工企業已開始積極布局MEMS 代工領域。如中芯國際已經開始利用天津工廠的200mm芯片生產線開展MEMS代工業務。上海是國內集成電路產業鏈最完整的地區之一，在產業能級和技術實力上都處于領先地位。因此，上海發展MEMS 產業可以和芯片代工生產線升級改造結合起來，將閑置產能改造為MEMS 器件生產線，打造國內MEMS 代工生產基地。在形成一定產業規模后，吸引研發、專業設計公司落戶，帶動整個產業鏈的發展。。
二是以優勢高校和科研機構為依托，加快技術產業化。國內早在上世紀80 年代就已經開始開展MEMS 相關領域技術研發活動，但是目前MEMS 技術研發成果還多集中在高校、研究機構，產業化效果不明顯。中科院上海微系統所是國內MEMS 領域研發實力最強的單位之一，已經積累了一些產業化經驗。建議在繼續推進MEMS 理論與技術研究的同時，可以以此類研究機構為依托，鼓勵機構研究人員注冊成立企業，促進成熟成果轉移，開展獨立運作，推動技術產業化。
三是以高新區和專業孵化器為基地，培育產業集群。美國近些年培育的大量中小型MEMS 創新公司，已成為美國MEMS 發展的支撐力量。上海應抓住機遇，不斷優化張江高新區的發展環境，鼓勵專業孵化器的建設，在支持大企業涉足MEMS 領域的同時，積極支持中小企業的發展，大量培育以MEMS 技術創新為主業的小型企業，同時注重結構合理的產業集群培育，使上海成為國內MEMS 技術、應用創新中心。
四是以開放式合作研發平臺為紐帶，加強產業鏈互動。當前MEMS仍多由各獨立企業采用專有工藝生產，基于CMOS 技術的標準化工藝仍在開發進程當中，尚未完全成熟，上海應從產業鏈角度，鼓勵設計、制造、系統應用等企業合作建立開放研發平臺，開發標準生產工藝，加速MEMS產業升級。此外通過搭建平臺促進產業鏈合作，加強MEMS 整體方案的開發，推進MEMS 產業化應用進程。
（本文轉自《科技發展研究》第 17 期）
