MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景課件

1、MEMS發(fā)展現(xiàn)狀 及其應(yīng)用前景第1頁，共33頁。一、MEMS定義概述MEMS 是英文Micro Electro-Mechanical Systems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)，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(shè)備或系統(tǒng)。 從微小化和集成化的角度，MEMS指可批量制作的、集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通訊和電源等集于一體的微型器件或系統(tǒng)。第2頁，共33頁。與傳統(tǒng)機械系統(tǒng)相比，MEMS系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：微型化和集成化：幾何尺寸小，易于集成。采用微加工技術(shù)可制造出微米尺寸的傳感和敏感元件，并形成二維或三維的傳感器陣列，再加上一體

2、化集成的大規(guī)模集成電路，最終器件尺寸一般為毫米級。MEMS鏡頭內(nèi)嵌隱形眼鏡的MEMS傳感器第3頁，共33頁。低能耗和低成本：采用一體化技術(shù)，能耗大大降低；并由于采用硅微加工技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路工藝，易于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，成本低。高精度和長壽命：由于采用集成化形式，傳感器性能均勻，各元件間配置協(xié)調(diào)，匹配良好，不需校正調(diào)整，提高了可靠性。動態(tài)性好：微型化、質(zhì)量小、響應(yīng)速度快、固有頻率高，具有優(yōu)異動態(tài)特性。MEMS加速度計、陀螺儀和地磁感應(yīng)計第4頁，共33頁。二、MEMS的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀2.1 MEMS的發(fā)展歷史MEMS194719541958196219881993發(fā)明半導(dǎo)體晶體管發(fā)現(xiàn)壓阻效應(yīng)生產(chǎn)出

3、半導(dǎo)體應(yīng)變片硅壓力傳感器問世美國研制出靜電馬達德國研究出LIGA技術(shù)第5頁，共33頁。時間國家發(fā)展狀況1959年美國 R.Feynman首先提出微型機械設(shè)想，認為納米技術(shù)能發(fā)明出性能優(yōu)良的微小機械1962年美國 HoneywellMEMS先驅(qū)硅微壓力傳感器問世，主要技術(shù)包括硅膜、壓敏電阻和體硅腐蝕工藝1967年美國用硅加工方法開發(fā)出尺寸為50um500um的齒輪、齒輪泵、氣動輪及連接件等機構(gòu)70年代美國斯坦福大學受美國國家宇航局委托，研制出在晶圓上制作氣相色譜儀，設(shè)計可用于航天飛行的微電機1987年美國NSF啟動了第一個MEMS計劃1988年美國加州伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60120um的硅

4、微靜電電機日本建立精密機械加工方面的MEMS研究組織1991年日本通產(chǎn)省開始實施為期10年，總投資250億日元的“微型機械技術(shù)”大型研究計劃1992年美國政府把微米級和納米級MEMS制造技術(shù)列為對經(jīng)濟和國防的重要技術(shù)1993年美國ADI公司采用MEMS技術(shù)成功將微加速度計商品化，并大批量用于汽車防撞氣囊，標志MEMS技術(shù)商品化的開端2001年德國政府計劃每年投資7000萬美元用于MEMS技術(shù)的研發(fā)2002年美國在San Jose召開的MEMS傳感器世紀博覽及研討會提出了BioMEMA/BioSensor的新觀念2006年日本啟動為MEMS制造確立基礎(chǔ)技術(shù)的國家級項目表2-1 MEMS發(fā)展歷史表

5、第6頁，共33頁。2.2 MEMS的發(fā)展現(xiàn)狀 MEMS技術(shù)自20世紀80年代末開始受到世界各國的廣泛重視，其主要技術(shù)途徑有3種：(1)以美國為代表的、以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基微加工技術(shù)；(2)以德國為代表發(fā)展起來的LIGA技術(shù)；(3)以日本為代表發(fā)展的精密加工技術(shù)。 由于MEMS前端研發(fā)需要大量的資金與時間，風險非常高，私有企業(yè)往往不愿意獨自承擔。國外MEMS研究主要依靠政府資助進行：美國以大學為中心承擔MEMS研發(fā)風險；德國和瑞士以自治團體為主導(dǎo)的半官半民機構(gòu)進行MEMS研究；法國以國家機構(gòu)為主導(dǎo)承擔MEMS研究風險，每年投入約12億美元的研發(fā)費用。日本以大型財團與科研機構(gòu)為主研究ME

6、MS，每年投入總費用超過2.5億美元。 一）美國： 確定軍事應(yīng)用為其主要方向，側(cè)重以慣性器件為代表的MEMS傳感器的研究。硅微加工工藝、體硅工藝、表面犧牲層工藝為代表。 在MEMS發(fā)展初期，美國就重視牽引研究主體大學與企業(yè)的結(jié)合。美國朗訊公司開發(fā)的基于MEMS光開關(guān)的路由器已經(jīng)試用，預(yù)示著MEMS發(fā)展又一高潮的來臨。目前部分器件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如微型加速度計、微型壓力傳感器、數(shù)字微鏡器件（DMD）、噴墨打印機的微噴嘴、生物芯片等，并且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。90年代初 ADI公司研制出低成本集成硅微加速度傳感器，用于汽車氣囊。2.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀第7頁，共33頁。二）法國： 在市場運作方面，法

7、國與美國市場保持緊密協(xié)作，瞄準美國航天與軍用市場，并以此為立足點向民用產(chǎn)品、汽車和新領(lǐng)域拓展。 2013年技聯(lián)國際會議上，法國國家計量與測試實驗室推出首項MEMS輸出精確測量技術(shù)，它將有助于全球MEMS制造商提高產(chǎn)品性能開發(fā)、開發(fā)新功能、降低大規(guī)模生產(chǎn)的能源消耗，影響市場對小型化的需求和提高可靠性。三）德國： MEMS在德國國內(nèi)重點領(lǐng)域是汽車，其次是化學設(shè)備、半導(dǎo)體。 德國的卡爾斯魯研究中心在1987年提出了LIGA工藝而聞名于世，該技術(shù)采用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和注塑工藝，形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。第8頁，共33頁。軍用MEMS汽車行業(yè)應(yīng)用MEMS形勢看漲四）瑞士： 主要進行高性能MEMS

8、產(chǎn)品的研發(fā)，制造與材料表面評價設(shè)備的制造銷售。 瑞士在聯(lián)邦政府的扶持下已形成以CESM（CentreSuisse d ElectroniqueetdeMicrotechnique）為主導(dǎo)、以MEMS等技術(shù)為基礎(chǔ)的“瑞士版硅谷”。CESM已經(jīng)和UniversitdeNeuchtel，洛桑聯(lián)邦理工大學、蘇黎世聯(lián)邦理工大學，及法國LETI建立了協(xié)作體制。1986年，瑞士CSEM研制出硅反饋式加速度計五）日本： 日本重點發(fā)展進入工業(yè)狹窄空間的微機器人、進入人體狹窄空間的醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。 日本方面對MEMS技術(shù)最為關(guān)注。日本政府已將微機電系統(tǒng)定位于強化日本產(chǎn)業(yè)競爭力的重要技術(shù)。2007年夏季，日本

9、文部省推出了“尖端融合領(lǐng)域革新創(chuàng)造基地的形成計劃”；08年度日本經(jīng)濟產(chǎn)第9頁，共33頁。業(yè)省推動“BEANS項目”和“夢幻芯片開發(fā)項目”。BEANS計劃在20082012的5年內(nèi)以約100億日元的預(yù)算，將生物科技和納米功能融入MEMS技術(shù)。目前，日本各地已有MEMS廠商100多家，以O(shè)lympus、Canon、Fujikura和器件制造如MEW、Oki等為代表。日本也擁有不少設(shè)計公司，主要來源于R&D機構(gòu)和各高校。六）亞洲周邊國家： 韓國、中國和新加坡等地，政府從技術(shù)戰(zhàn)略決策層面大力發(fā)展MEMS。韓國每年投入約2億美元研發(fā)費用，有6個實驗室和10家公司；我國臺灣每年投入MEMS總費用為6.4億

10、元新臺幣。越南也已把MEMS看作未來的商機，密切關(guān)注它的發(fā)展。2017年MEMS市場規(guī)模將倍增至270億美元第10頁，共33頁。 我國的MEMS研究始于1989年，“八五”、“九五”期間國家總投入約為1.5億元；“十五”正式開始將MEMS列入863計劃的重大專項，總預(yù)算經(jīng)費達3億元以上。1995年國家科技部開始實施“微電子機械系統(tǒng)項目”攀登計劃(19951999年)；1999年實行“集成微光機電系統(tǒng)研究”項目。內(nèi)地MEMS的研發(fā)單位已達50多家，在表面微機械、體硅MEMS以及非硅MEMS工藝有很強的競爭實力，科研水平能夠進入國際前十名。 國內(nèi)的MEMS理論研究與國外水平相差不大，其主要差距在于

11、產(chǎn)業(yè)化推進能力上。國外發(fā)展MEMS已有30多年歷史，大型企業(yè)年產(chǎn)能力基本在100萬1000萬只，中等規(guī)模企業(yè)年生產(chǎn)能力可達為10100萬只；而相比之下，我國企業(yè)的MEMS器件生產(chǎn)規(guī)模卻很少超過10萬件。國外已進入了MEMS微系統(tǒng)集成的開發(fā)與應(yīng)用，而國內(nèi)仍處于分立的驅(qū)動和傳感器件的研究階段。 國內(nèi)從事MEMS研發(fā)的單位包括中電集團電子第十三所、二十四所、四十九所、北京大學、東南大學、上海交大等重點院所；重點圍繞醫(yī)療與健康、環(huán)境監(jiān)測和重要行業(yè)等需要，提升我國MEMS整體水平，在“十一五”期間推動國內(nèi)微納產(chǎn)業(yè)的形成。2.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況第11頁，共33頁。江蘇省高性能硅MEMS工程技術(shù)研究中心在

12、蘇成立 國內(nèi)能獨立從事MEMS研發(fā)的企業(yè)較少，主要包括西安中星、北京北信、太原科泰等一批從原國家電子、航天部門分離出來的科技企業(yè)。無錫能從事MEMS設(shè)計的企業(yè)包括中國電子工業(yè)總公司58所與美新半導(dǎo)體。58所具有完整的集成電路設(shè)計、掩模制版、工藝加工、測試、封裝、可靠性檢測等能力；據(jù)悉：2006年無錫IC設(shè)計業(yè)銷售額20億元中17億元是由“出身”于58所的人員創(chuàng)造的。無錫正在圍繞中電58所，建立國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地，加強無錫地區(qū)的MEMS研發(fā)的能力。美新半導(dǎo)體主要由海歸人員創(chuàng)建，提供基于CMOS的MEMS系統(tǒng)級芯片設(shè)計能力，研發(fā)能力始終保持國際一流。 我國傳感器和儀器儀表的技術(shù)和產(chǎn)品，經(jīng)過

13、發(fā)展，有了較大的提高。全國已經(jīng)有1600多家企事業(yè)單位從事傳感器和儀表元器件的研制、開發(fā)、生產(chǎn)。但與國外相比，我國傳感器和儀表元器件的產(chǎn)品品種和質(zhì)量水平，尚不能滿足國內(nèi)市場的需求，總體水平還處于國外上世紀90年代初期的水平。國內(nèi)已有多家MEMS相關(guān)科技公司建成投產(chǎn)第12頁，共33頁。存在的主要問題有： （1）科技創(chuàng)新差，核心制造技術(shù)嚴重滯后于國外，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少，品種不全，產(chǎn)品技術(shù)水平與國外相差15年左右。 （2）投資強度偏低，科研設(shè)備和生產(chǎn)工藝裝備落后，成果水平低，產(chǎn)品質(zhì)量差。 （3）科技與生產(chǎn)脫節(jié)，影響科研成果的轉(zhuǎn)化，綜合實力較低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足。 未來，我國將形成對MEMS傳

14、感器的巨大市場需求：硅壓力傳感器及變送器年需求量500萬只以上，主要應(yīng)用于石油、化工、電力工業(yè)，鋼鐵、電器行業(yè)及工業(yè)測量與控制等領(lǐng)域；集成壓力傳感器年需求量200萬只以上，主要應(yīng)用于汽車、大型中央空調(diào)器以及醫(yī)療器械等行業(yè)；CH4氣體傳感器市場年需求在700-850萬套，主要應(yīng)用于能源工業(yè)、環(huán)境檢測、工業(yè)過程控制、工作生產(chǎn)現(xiàn)場及環(huán)保領(lǐng)域等。目前國內(nèi)市場MEMS傳感器的年需求量在2000萬只以上，市場潛力巨大，需求年均增長約20%30%，成長性良好。在一些無法進口的高端和特種應(yīng)用領(lǐng)域，例如航天和油田用高溫、高壓MEMS傳感器領(lǐng)域，中國有一定的技術(shù)積累，有適合于發(fā)展MEMS產(chǎn)業(yè)的良好基礎(chǔ)。面對這片巨

15、大的潛力市場，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)當努力營造產(chǎn)業(yè)環(huán)境，利用自身的高性價比與國際巨頭在MEMS市場上一爭高低。第13頁，共33頁。2.3 MEMS市場發(fā)展趨勢 與傳統(tǒng)IC產(chǎn)業(yè)相比，MEMS產(chǎn)值如冰山一角，所占比例很??；但MEMS產(chǎn)業(yè)的增長速度很快，遠遠超過傳統(tǒng)IC產(chǎn)業(yè)。據(jù)市場調(diào)查公司YoleDevelopment的統(tǒng)計，2007年全球MEMS市場總值為71億美元，2012年將達到140億美元，復(fù)合年均增長率（CAGR）達到14%。全球MEMS相關(guān)產(chǎn)品(包括汽車安全氣囊系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)等)市場總值為480億美元，至2010年將達到950億美元。 MEMS與IC芯片產(chǎn)業(yè)有非常類似的發(fā)展規(guī)律。兩者的升級換代周期都

16、非常短：MEMS器件從研發(fā)到量產(chǎn)3億個的時間，從過去10年縮短為現(xiàn)在23年，速度成為MEMS產(chǎn)品成功的基本保障。 MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末，當時用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。 第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。德州儀器公司根據(jù)靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。 第三輪商業(yè)化出現(xiàn)于世紀之交，微光學器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖

17、通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但從長期看來微光學器件將是MEMS一個增長強勁的領(lǐng)域。 第四輪商業(yè)化包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的“片上實驗室”生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動器件。第14頁，共33頁。三、MEMS的應(yīng)用 MEMS技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在三個方向：微型傳感器、微型執(zhí)行器和微型系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進展。目前MEMS的產(chǎn)品在光信號處理、生物醫(yī)學、機器人、汽車、航空、航天、軍事和日用電器等領(lǐng)域，已得到了廣泛的應(yīng)用，并具有巨大潛在的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。MEMS的主要研究內(nèi)容第15頁，共33頁。3.1 MEM

18、S傳感器（一）壓力傳感器 MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形?？梢岳脩?yīng)變儀（壓阻型感測）來測量這種形變，也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。采用MEMS技術(shù)特點：穩(wěn)定性好靈敏度高自過壓保護達到100倍以上指標先進適用大批量生產(chǎn)應(yīng)用范圍：壓力測量流量液位測量真空高度，速度需求：每年150萬只以上創(chuàng)造價值：可達45億元硅電容式壓力傳感器芯片第16頁，共33頁。MEMS微型壓力傳感器電子產(chǎn)品上的壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域：1.汽車行業(yè)：安全氣囊、傳動系統(tǒng)壓力感測、輪胎壓力監(jiān)測等；2. 醫(yī)療市場：一次性低成本導(dǎo)管、昂貴醫(yī)療設(shè)備中的壓力感測等；3. 工業(yè)領(lǐng)域：采暖通風及空調(diào)（HVA

19、C）、水平面測量、各種工業(yè)過程與控制應(yīng)用。MEMS壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用第17頁，共33頁。（二） 加速度傳感器 MEMS技術(shù)所制造的加速度傳感器，根據(jù)原理分類有：壓阻式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、熱電偶式加速度傳感器、諧振式加速度傳感器、光波導(dǎo)加速度傳感器，其中應(yīng)用最廣泛、受關(guān)注程度最高的是電容式加速度傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域：自動化控制、檢測、軍工等方面。應(yīng)用范圍：傾斜度偵測、運動檢測、定位偵測、震動偵測、振動偵測、自由落下偵測。第18頁，共33頁。無創(chuàng)胎心檢測手機中的加速度計飛行器傾角測量用于汽車底盤控制第19頁，共33頁。（三）陀螺儀MEMS陀螺是利用震動質(zhì)量塊被基

20、座(殼體)帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來傳感角速度的原理制成。CRS03系列微硅陀螺儀特點：利用MEMS（微機械加工）的微型器械。由于平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此受震動和沖擊的影響很小。用途：導(dǎo)航，平臺穩(wěn)定，汽車安全系統(tǒng)，遙控直升機，車裝衛(wèi)星天線設(shè)備，工業(yè)用，機器人，3D虛擬實境，船只電子磁針誤差補償有關(guān)傾斜（角速度）感應(yīng)設(shè)備。第20頁，共33頁。射流微陀螺ECF流體陀螺應(yīng)用：主要用于測量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)；家用電子產(chǎn)品；航空航天機械。第21頁，共33頁。3.2 MEMS執(zhí)行器（一） 微電機微執(zhí)行器的核心部件是微電機，在微執(zhí)行器中占主導(dǎo)地位。微電機壓電微電機靜電型

21、微電機形狀記憶合金微電機電磁型微電機磁致伸縮型微電機應(yīng)用：1.信息領(lǐng)域：微電機與傳感器、數(shù)字電路集成在一個半導(dǎo)體芯片上用作開關(guān)組合部件。如：光纖產(chǎn)品、光學儀器等。2.軍事領(lǐng)域：機器昆蟲、微型機器人等微型探測器。3.醫(yī)療領(lǐng)域：微創(chuàng)傷內(nèi)窺鏡、精密顯微外科、體內(nèi)局部微量給藥都需要高靈巧、高柔順性的微電機。4.航空航天領(lǐng)域：微電機可用在帶攝像裝置進入衛(wèi)星、火箭或宇航飛機內(nèi)檢查故障的機器人上。在超微電機基礎(chǔ)上還可以發(fā)展慣性導(dǎo)航器件，如微陀螺。第22頁，共33頁。人工心臟上海交通大學研制的抗磁懸浮微陀螺第23頁，共33頁。（二） 微電子泵 微流動系統(tǒng)是MEMS的一個重要分支,近年來已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域。

22、微泵作為一個重要的微流動系統(tǒng)的執(zhí)行器件,是其發(fā)展水平的重要標志。 微型泵根據(jù)其有無可動閥片可分為有閥型微泵和無閥型微泵。有閥型微泵往往基于機械驅(qū)動,原理簡單,制造工藝成熟,易于控制,是目前應(yīng)用的主流;無閥型微泵則常常利用流體在微尺度下的新特性,原理比較新穎,更適于微型化,具有更大的發(fā)展前景。主要應(yīng)用：1.藥物供給；2.芯片上化學反應(yīng)物供給；3.生化傳感器。第24頁，共33頁。微電子超純凈泵 采用MEMS技術(shù)加工微米級噴嘴，95%以上的顆粒在1-5微米之間，噴霧量可控制在微升級以內(nèi)。第25頁，共33頁。（三）微繼電器 繼電器是廣泛應(yīng)用于信息處理、通信、控制、機電一體化等領(lǐng)域的重要元器件之一。隨著

23、航天和微小衛(wèi)星技術(shù)的大力發(fā)展，對于繼電器的小體積、低功耗的要求越來越迫切，傳統(tǒng)的繼電器已無法滿足這些要求。近年來，MEMS技術(shù)的大力發(fā)展與應(yīng)用為新型繼電器提供了一種新思路。 基于MEMS技術(shù)的繼電器與傳統(tǒng)繼電器相比較具有體積小、功耗低、接觸阻抗低、開關(guān)速度快、易于電路集成等優(yōu)點，受到越來越多關(guān)注。 MEMS常用微型繼電器從驅(qū)動原理上可分為靜電型、電磁型、電熱型、電液型。 典型應(yīng)用： 射頻儀器 軍用通訊 自動測試設(shè)備超小型MEMS高頻繼電器第26頁，共33頁。 當前，MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展前夕 , 21世紀會展現(xiàn)一個大發(fā)展的局面 ,它的廣泛應(yīng)用和效益將強有力地顯示出來 ,它對信息、航空、航天

24、、自動控制、醫(yī)學、生物學、力學、熱學、光學、近代物理和工程學等諸領(lǐng)域發(fā)展的影響將是深遠的 ,人類的生產(chǎn)和生活方式也會因此而發(fā)生重大改變。 近來上市的高能效低價微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動終端設(shè)備的互動方式。在各類移動終端、游戲機、遙控器等設(shè)備上，MEMS運動傳感器可以實現(xiàn)先進的功能，令人心動的用戶界面，用戶的手勢、碰摸就能夠激活相應(yīng)的功能。國高（淄博）微系統(tǒng)科技有限公司應(yīng)勢而上，應(yīng)運而生。借助清華大學機械工程學院在MEMS領(lǐng)域的科研和人才優(yōu)勢，依托淄博集成電路產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和政策優(yōu)勢，共同搭建國家級MEMS中試代工平臺、打造國家級微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化基地、引領(lǐng)國內(nèi)MEMS器件產(chǎn)業(yè)化進程，實現(xiàn)電子信息產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。第27頁，共33頁。2022/8/19 國高（淄博）微系統(tǒng)科技有限公司是專門從事微型