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1、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 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
2、毫米级 MEMS镜头 内嵌隐形眼镜的MEMS传感器 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 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 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 MEMS 194719541958196219881993 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
3、LIGA技术 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
4、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Universit deNeuch tel 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 200
5、7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
6、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
7、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
8、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
9、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 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
10、力工业 钢铁 电器行业及工业测量与控制等领域 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 CH4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 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
11、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 M
12、EMS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
13、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 也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加
14、以测量 采用MEMS技术特点 稳定性好灵敏度高自过压保护达到100倍以上指标先进适用大批量生产 应用范围 压力测量流量液位测量真空高度 速度 需求 每年150万只以上创造价值 可达45亿元 硅电容式压力传感器芯片 MEMS微型压力传感器 电子产品上的压力传感器 应用领域 1 汽车行业 安全气囊 传动系统压力感测 轮胎压力监测等 2 医疗市场 一次性低成本导管 昂贵医疗设备中的压力感测等 3 工业领域 采暖通风及空调 HVAC 水平面测量 各种工业过程与控制应用 MEMS压力传感器在汽车上的应用 二 加速度传感器 MEMS技术所制造的加速度传感器 根据原理分类有 压阻式加速度传感器 压电式加速度
15、传感器 电容式加速度传感器 热电偶式加速度传感器 谐振式加速度传感器 光波导加速度传感器 其中应用最广泛 受关注程度最高的是电容式加速度传感器 应用领域 自动化控制 检测 军工等方面 应用范围 倾斜度侦测 运动检测 定位侦测 震动侦测 振动侦测 自由落下侦测 无创胎心检测 手机中的加速度计 飞行器倾角测量 用于汽车底盘控制 三 陀螺仪 MEMS陀螺是利用震动质量块被基座 壳体 带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成 CRS03系列微硅陀螺仪 特点 利用MEMS 微机械加工 的微型器械 由于平面环状结构 因此受震动和冲击的影响很小 用途 导航 平台稳定 汽车安全系统 遥控直升机 车装卫星天线
16、设备 工业用 机器人 3D虚拟实境 船只电子磁针误差补偿有关倾斜 角速度 感应设备 射流微陀螺 ECF流体陀螺 应用 主要用于测量汽车的旋转速度 转弯或者打滚 它与低加速度计一起构成主动控制系统 家用电子产品 航空航天机械 3 2MEMS执行器 一 微电机 微执行器的核心部件是微电机 在微执行器中占主导地位 微电机 压电微电机 静电型微电机 形状记忆合金微电机 电磁型微电机 磁致伸缩型微电机 应用 1 信息领域 微电机与传感器 数字电路集成在一个半导体芯片上用作开关组合部件 如 光纤产品 光学仪器等 2 军事领域 机器昆虫 微型机器人等微型探测器 3 医疗领域 微创伤内窥镜 精密显微外科 体内局部微量给药都需要高灵巧 高柔顺性的微电机 4 航空航天领域 微电机可用在带摄像装置进入卫星 火箭或宇航飞机内检查故障的机器人上 在超微电机基础上还可以发展惯性导航器件 如微陀螺 人工心脏 上海交通大学研制的抗磁悬浮微陀螺 二 微电子泵 微流动系统是MEMS的一个重要分支 近年来已经成为热门的研究领域 微泵作为一个重要的微流动系统的执行器件 是其发展水平的重要标志 微型泵根据其有无可动阀片可分为有
