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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,Micro Electro-Mechanical Systems,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
2、，,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,2.1 MEMS,的发展历史,MEMS,1947,1954,1958,1962,1988,19
3、93,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,LIGA,技术,时间,国家,发展状况,1959,年,美国,R.Feynman,首先提出微型机械设想，认为纳米技术能发明出性能优良的微小机械,1962,年,美国,Honeywell,MEMS,先驱,硅微压力传感器问世，主要技术包括硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺,1967,年,美国,用硅加工方法开发出尺寸为,50um500um,的齿轮、齿轮泵、气动轮及连接件等机构,70,年代,美国斯坦福大学,受美国国家宇航局委托，研制出在晶圆上制作气相色谱仪，设计可用于航天飞行的微电机,1987,年,美国,N
4、SF,启动了第一个,MEMS,计划,1988,年,美国加州伯克利分校,研制出转子直径为,60120um,的硅微静电电机,日本,建立精密机械加工方面的,MEMS,研究组织,1991,年,日本通产省,开始实施为期,10,年，总投资,250,亿日元的“微型机械技术”大型研究计划,1992,年,美国政府,把微米级和纳米级,MEMS,制造技术列为对经济和国防的重要技术,1993,年,美国,ADI,公司,采用,MEMS,技术成功将微加速度计商品化，并大批量用于汽车防撞气囊，标志,MEMS,技术,商品化的开端,2001,年,德国政府,计划每年投资,7000,万美元用于,MEMS,技术的研发,2002,年,美
5、国,在,San Jose,召开的,MEMS,传感器世纪博览及研讨会提出了,BioMEMA/BioSensor,的新观念,2006,年,日本,启动为,MEMS,制造确立基础技术的国家级项目,表,2-1 MEMS,发展历史表,2.2 MEMS,的发展现状,MEMS,技术自,20,世纪,80,年代末开始受到世界各国的广泛重视，其主要技术途径有,3,种：,(1),以美国,为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；,(2),以德国为代表发展起来的,LIGA,技术；,(3),以日本为代表发展的精密加工技术。,由于,MEMS,前端研发需要大量的资金与时间，风险非常高，私有企业往往不愿意独自承担。国
6、,外,MEMS,研究主要依靠政府资助进行：美国以大学为中心承担,MEMS,研发风险；德国和瑞士以自,治团体为主导的半官半民机构进行,MEMS,研究；法国以国家机构为主导承担,MEMS,研究风险，每,年投入约,12,亿美元的研发费用。日本以大型财团与科研机构为主研究,MEMS,，每年投入总费用超,过,2.5,亿美元。,一）美国,：,确定军事应用为其主要方向，侧重以惯性器件为代表的,MEMS,传感器的研究。硅微加工工艺、,体硅工艺、表面牺牲层工艺为代表。,在,MEMS,发展初期，美国就重视牵引研究主体,大学与企业的结合。美国朗讯公司开发的基,于,MEMS,光开关的路由器已经试用，预示着,MEMS,
7、发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现,了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（,DMD,）、喷墨打印机的微喷嘴、,生物芯片等，并且应用领域十分广泛。,90,年代初,ADI,公司研制出低成本集成硅微加速度传感器，,用于汽车气囊。,2.2.1,国外发展现状,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
8、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,（,Centre,Suisse,d,Electronique,et,de,Microtechnique,）为主,导、以,MEMS,等技术为基础的“瑞士版硅谷”。,CES
9、M,已经和,Universitde,Neucha,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。,2007,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,1
10、00,亿日,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,2
11、70,亿美元,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,已有,3
12、0,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
13、内能独立从事,MEMS,研发的企业较少，主要包括西安中星、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
14、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
15、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
16、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,市场上一争高低。,2.3 MEMS,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,Yole,Development,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,
17、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,23,年，速度成为,MEMS,产品成功的基本保障。,MEMS,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
18、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
19、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,3.1,MEMS,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,变化来加以测量。,采用,MEMS,技术,特点：,1),稳定性好,2),灵敏度高,3),自过压保护达到,100,倍以上,4),指标先进,5),适用大批量生产,应用范
20、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,（,HV,AC,）、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、压电式加速度传,感器、电容式加速度
21、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
22、系统，遥控直升机，车装卫星,天线设备，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。,3.2 MEMS,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
23、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阀型微泵和无阀型微泵。有阀型微泵往往基于机械驱动,原理简单,制造工艺成熟,易于控制,是
24、目前应用的主流,;,无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的,新特性,原理比较新颖,更适于微型化,具有更大的发展前景。,主要应用：,1.,药物供给；,2.,芯片上化学反应物供给；,3.,生化传感器。,微电子超纯净泵,采用,MEMS,技术加工微米级喷嘴，,95%,以上的颗粒在,1-5,微米之间，喷雾量可控制在微升级以内。,（三）微继电器,继电器是广泛应用于信息处理、通信、控制、机电一体化等领域的重要元器件之一。随着航天和微小卫星技,术的大力发展，对于继电器的小体积、低功耗的要求越来越迫切，传统的继电器已无法满足这些要求。近年来，,MEMS,技术的大力发展与应用为新型继电器提供了一种新思路。,基于,M
25、EMS,技术的继电器与传统继电器相比较具有体积小、功耗低、接触阻抗低、开关速度快、易于电路集,成等优点，受到越来越多关注。,MEMS,常用微型继电器从驱动原理上可分为静电型、电磁型、电热型、电液型。,典型应用：,射频仪器,军用通讯,自动测试设备,超小型,MEMS,高频继电器,当前，,MEMS,技术正处于高速发展前夕,21,世纪会展现一个大发展的局面,它的广,泛应用和效益将强有力地显示出来,它对信息、航空、航天、自动控制、医学、生物学、,力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的,人类的生产和,生活方式也会因此而发生重大改变。,近来上市的高能效低价微型,MEMS,传感器彻底改
26、变了人们与移动终端设备的互动,方式。在各类移动终端、游戏机、遥控器等设备上，,MEMS,运动传感器可以实现先进,的功能，令人心动的用户界面，用户的手势、碰摸就能够激活相应的功能。,国高（淄博）微系统科技有限公司应势而上，应运而生。借助清华大学机械工程,学院在,MEMS,领域的科研和人才优势，依托淄博集成电路产业基础和政策优势，共同,搭建国家级,MEMS,中试代工平台、打造国家级微系统产业化基地、引领国内,MEMS,器件,产业化进程，实现电子信息产业的跨越式发展。,2020/4/8,国高（淄博）微系统科技有限公司是专门从事微型传感器的研发,和生产的国有控股公司。拥有国际先进水平的,MEMS,设备
27、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。,2020/4/8,国高（淄博）微系统科技有限公司拥有,国内一流的超净环境,及,国际先进的,MEMS,工艺加工和检测设备,，将通过产学研的协同创新,推,动,原始创新,；建成具有,国际先进水平微纳器件代工平台,；高水平器,件的研制、生产和应用,示范基地,。,投资,5400,万元，建设净化厂房,5000m,2,，其中净化面积,1540m,2,含,百级,340m,2,、千级,400m,2,、万级及十万级,800m,2,。,2020/4/8,首期投资,9000,万元，采购德国,SUSS,公司,MA150e,光刻机、奥地利,EVG
28、,公,司,510,键合机、英国,SPTS,公司,Rapier,刻蚀机、,SPTS,双频,PECVD,、,KDF904i,四,靶磁控溅射台、扫描电镜、真空半自动探针台等国际先进的工艺与检测设,备，可完成体硅工艺和表面牺牲层工艺，实现,MEMS,惯性陀螺、微加速度计、,继电器,/,开关等惯性器件的中试生产。,2020/4/8,国际先进的微槽加工设备,SUSS,光刻机、,EVG,键合预对准机及键合机,全自动光刻机,SUSS MA150e,关键技术指标,-,晶圆尺寸：,4,及,6,英寸,-,曝光方式：软接近、硬接近、真空接近,-,分辨率：,0.6,m(,真空,),-,对准精度：,1m(3),键合机,E
29、VG510,关键技术指标,-,晶圆尺寸：,4,及,6,英寸,-,最高加热温度：,550,-,压力范围：,500N 40KN,-,基础真空：,1.0,10,-3,mbar,-,对准精度,3,m(,阳极键,合,),2020/4/8,国际一流的刻蚀设备,SPTS,深硅刻蚀机、,ICP,与牛津,RIE,深硅刻蚀机,Deep RIE,关键技术指标,型号：,SPTS Rapier,-,晶圆尺寸：,最大,250mm,-,可用腐蚀材料：,Si,SOI,-,刻蚀速率：,1.5,m/min(Si),-,均匀性：,3%(DWR 30:1),-,选择比：,100:1(SOI),-,侧壁粗糙度：,100nm,-,工艺气
30、体：,SF,6,C,4,F,8,O,2,Ar,and N,2,2020/4/8,国际一流的成膜设备,英国,SPTS,的,PECVD,与美国,KDF,的磁控溅射仪,等离子增强化学气相淀积设备型号,:SPTS APM,关键技术指标,-,晶圆尺寸：,6,英寸,-,可沉积薄膜：,SiO,2,Si,3,N,4,-,均匀性：,3%,-,沉积速率：,1500?(SiO,2,),-,泵系统：,干泵,-,工艺气体：,5%SiH,4,in He,N,2,O,N,2,NH,3,O,2,C,3,F,8,磁控溅射机,型号,:KDF 904i,关键技术指标,-,晶圆尺寸：,6,英寸,-,可用沉积材料：,Ti,，,Pt,，,Au,，,Ag,，,Cu,，,Cr,TiN,-,均匀性：,3%,-,极限压力：,1.0,10,-7,Torr,-,基板预热器：,600,-DC,功率：,AE 12kW,-RF,功率,:,AE 1.2kW,
