劉進長1，劉振忠2，張建3

　　(1.科技部高技術研究發(fā)展中心;2.天津理工大學;

　　3.河北工業(yè)大學)

　　MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)傳感器是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的、多學科交叉的前沿技術方向，在“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”中發(fā)揮著關鍵作用。本文對MEMS傳感器技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行了分析，并提出了我國進一步發(fā)展重點和對策建議。

　　一、關于MEMS傳感器

　　1. 定義及特點

　　MEMS傳感器是基于微機電系統(tǒng)的典型傳感器件。它是指可以批量制造的，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統(tǒng)。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范圍。MEMS集成了當今科學技術的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。

　　MEMS傳感器種類繁多，根據(jù)MEMS傳感器的測量對象，可以分力學傳感器、電學傳感器、氣體傳感器、離子傳感器、光學傳感器、聲學傳感器、生物傳感器、熱學傳感器和磁學傳感器等類型。

　　2. 作用與意義

　　MEMS傳感技術自誕生以來，不僅在實驗室研究中取得成功，同時已開始產(chǎn)業(yè)化并帶來了令人矚目的社會經(jīng)濟效益。

　　典型MEMS傳感器產(chǎn)品的應用，已對未來新型MEMS傳感器的研制和產(chǎn)業(yè)化起到示范作用。例如，智能制造領域用到的陣列傳感器、單片集成傳感器、多功能集成傳感器、低功耗傳感器等;離散制造業(yè)用轉(zhuǎn)速傳感器、渦流傳感器、運動部件溫度、應變、振動傳感器等;流程工業(yè)用壓力、流量、風速、電場、氣體傳感器、繼電器等典型產(chǎn)品，均為新型MEMS傳感器的開發(fā)奠定了技術基礎。

　　此外，隨著材料制備與微米納米加工技術的日趨完善，以及對于一系列微米納米尺度科學問題的了解，新型MEMS傳感器技術已經(jīng)影響到制造、安全、通訊、交通、醫(yī)療、能源、環(huán)境等多個領域和層面，發(fā)揮了不可替代的作用。

　　例如：應用于機械裝備監(jiān)控的MEMS傳感器，可快速地探測到機器的非正常運行狀態(tài)，預防生產(chǎn)機械的非計劃停機;應用于國防軍事領域的高精度MEMS傳感器，可提高武器的作戰(zhàn)水平;應用于海洋及水下裝備的監(jiān)測，可適應我國對海權(quán)維護、海洋開發(fā)和資源綜合利用的需求;面向重大疾病早期診療的MEMS傳感芯片，可實現(xiàn)對痕量重大疾病標志物的檢測;利用體聲波MEMS傳感器件實現(xiàn)細胞水平的生化應用，可實現(xiàn)對腫瘤細胞的藥物釋放及靶向治療;利用微流控系統(tǒng)操控生化分子及生物細胞的方法，可實現(xiàn)微納尺度下的生化檢測;利用多參數(shù)復合MEMS傳感系統(tǒng)與相關器件，可實現(xiàn)多種生物分子和細胞信號的同時采集和分析;利用危險氣體及顆粒物的便攜式體聲波傳感系統(tǒng)，可監(jiān)測生活生產(chǎn)過程中遇到的水質(zhì)監(jiān)測、大氣環(huán)境污染問題等。

　　二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　國際知名學者美國Univ. Michigan的K.D. Wise對傳感器及MEMS發(fā)展歷程，以及每個階段的前沿技術研究和同期出現(xiàn)的公司進行了總結(jié)：20世紀60年代第一代微加工器件問世，70年代主要是技術擴展及新的應用，80年代是更復雜的器件產(chǎn)業(yè)化，90年代主要是發(fā)展集成敏感系統(tǒng)，2000年以后開始發(fā)展無線集成微系統(tǒng)。

　　從2000年至今全球的MEMS傳感器專利數(shù)據(jù)可以看出：

　　自2000年后，MEMS傳感器技術整體進入成長期，但不同時間段成長速度存在差異。2000—2006年為緩慢成長期，2007—2010年為平穩(wěn)發(fā)展期，2011至今為快速成長期。隨著MEMS傳感器市場需求的不斷增加，以及以中國為代表的新興研發(fā)主體開始加入，可以預測MEMS傳感器未來仍將保持快速發(fā)展的態(tài)勢。

　　MEMS傳感器為市場導向型技術，其發(fā)展速度、類型分布均與市場的需求有著緊密的聯(lián)系。20世紀90年代末期MEMS技術的商業(yè)化浪潮，推動了該技術由萌芽期轉(zhuǎn)向成長期，眾多微傳感器產(chǎn)品進入市場。隨后2000—2006年的發(fā)展主要源于汽車工業(yè)對壓力傳感器、加速度計、熱傳感器等的大量需求。

　　2007—2010年MEMS進入多元化的發(fā)展階段，雖然專利數(shù)量變化不大，但應用領域不斷拓寬，除汽車工業(yè)外，航空航天、生物醫(yī)藥、醫(yī)療電子、消費電子、化工機械等領域，也逐漸出現(xiàn)MEMS傳感器的身影。

　　2011年至今，MEMS傳感器快速增長的主要原因，是消費電子領域?qū)EMS傳感器需求量的增加，同時物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等的發(fā)展也起到了一定的推動作用。

　　通過專利權(quán)人的分析可以看出，美國和德國由于分別擁有霍尼韋爾國際公司和羅伯特?博世有限公司，在全球的MEMS傳感器研發(fā)中一直處于重要的地位。MEMS傳感器研發(fā)的主要地區(qū)集中在亞洲，具體到國家來看，由日本、韓國逐步轉(zhuǎn)移至中國。

　　羅伯特?博世(Robert Bosch)公司Gerhard Lammel總結(jié)與預測：MEMS傳感器大規(guī)模應用第一次浪潮是汽車工業(yè)，第二次浪潮是消費類產(chǎn)業(yè)(智能手機為主)，而第三次浪潮將是物聯(lián)網(wǎng)及服務。美國Transparency Market Research咨詢公司預測，物聯(lián)網(wǎng)傳感器年增長率24.5%，到2023年將達到347.89億美元。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　中國在MEMS傳感器領域的研究較晚，但目前已經(jīng)成為不可或缺的力量，后發(fā)優(yōu)勢突顯。國家863計劃持續(xù)15年的支持，大大促進了MEMS傳感器的設計、加工、測試、封裝、裝配等關鍵技術的進步，產(chǎn)生了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術，凝聚并形成了我國MEMS/NEMS研究與開發(fā)的隊伍，建立了一批MEMS/NEMS研發(fā)基地，在相對較短時間內(nèi)，形成了我國微納制造技術研究與開發(fā)體系，使我國MEMS/NEMS自主創(chuàng)新能力顯著提高，產(chǎn)業(yè)技術競爭力得到提升。

　　近10年來，我國從事MEMS/NEMS產(chǎn)品研發(fā)的公司已增長到200余個，大型集成電路生產(chǎn)骨干企業(yè)已經(jīng)介入MEMS/NEMS技術研發(fā)，應用于消費類、汽車等行業(yè)的MEMS/NEMS的代工生產(chǎn)模式已經(jīng)實現(xiàn)，并形成了由設計、制造、封裝、可靠性、測試等環(huán)節(jié)構(gòu)成的完整研發(fā)體系和生產(chǎn)技術鏈。

　　2013年，在“十二五”863計劃中布置的“工業(yè)用高端微納傳感器與系統(tǒng)研究開發(fā)”項目含9個課題，目前已完成驗收，在MEMS能量收集器方面形成了較好的積累。

　　四、我國進一步發(fā)展重點與對策

　　從當前國際發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)的發(fā)展狀況來看，我國對MEMS全產(chǎn)業(yè)鏈、規(guī)?；O計和規(guī)?；a(chǎn)方面的研究與投入均不足，使得MEMS產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)化集成設計與規(guī)模生產(chǎn)兩方面的能力都非常薄弱。為改善這種局面，提出如下重點與對策：

　　1. 完善產(chǎn)業(yè)鏈

　　以科研院所、高校為創(chuàng)新載體，以工業(yè)類MEMS傳感器、能量收集器的研究與發(fā)展為目標，建設可貫通產(chǎn)品設計、工藝制造、封裝和測試產(chǎn)業(yè)鏈條的公共技術服務平臺，形成資源共享、優(yōu)勢互補的公共服務體系，進而為實現(xiàn)持續(xù)的技術創(chuàng)新開辟新的途徑。以公共服務平臺為技術依托，以工業(yè)類MEMS傳感器、能量收集器的應用與推廣為目標，孵化并扶持多家示范企業(yè)，形成門類齊全、布局合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)體系。

　　2. 加強合作，攻克關鍵核心技術

　　集中多方資源，協(xié)同開展研究，努力攻克多種能量收集器智能傳感器集成化設計、規(guī)?；圃旃に?、規(guī)?；瘶藴驶瘻y試技術、晶圓級封裝、高密度封裝等關鍵核心技術;開發(fā)多種能量收集器MEMS傳感器，促進能量收集器的創(chuàng)新性應用。

　　3. 提升應用規(guī)模與水平

　　利用公共技術服務平臺完成多個工業(yè)類MEMS傳感器、能量收集器向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，并實現(xiàn)其在“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”中的廣泛應用，實現(xiàn)面向重點行業(yè)和重點領域的應用及其多種產(chǎn)品的產(chǎn)量顯著增長。

　　4. 凝煉重點，加強支持力度

　　針對我國智能微納傳感器、能量收集器的發(fā)展需求，面向“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”，重點選擇市場急需的MEMS傳感器，開展封裝技術、可靠性測試技術和單片集成多傳感器及其無線傳輸系統(tǒng)等核心關鍵技術研究，力爭在世界工業(yè)領域傳感器市場占領一席之地。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云