《中国机械工程路线图》微纳制造技术127134Word文档格式.docx

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微纳制造涉及材料、设计、加工、封装、测试等方面的科技问题，形成了如图6-3所示的技术体系。

材料加工技术设计与仿真封装与测试

●微切削

●特种微加工

●微注塑

●微成型

●LIGA、准LIGA

●

体硅微加工

表面硅微加工

●SOI微加工

●键合

●封装

●……

●纳米压印

●离子束直写刻蚀

电子束直写刻蚀

●自组装

宏制造

●金属

●硅

●石英

玻璃

●陶瓷

●聚合物

●蛋白质

核心技术

MEMS

微制造

微纳制造

自上而下

光电子技术

柔性电子技术

……

NEMS

纳制造

自下而上

分子装配

图6-3微纳制造技术体系结构图

二、未来市场需求及产品

微纳器件及系统因其微型化、批量化、成本低的鲜明特点，对现代生产、生活产生巨大的促进作用，为相关传统产业升级实现跨越式发展提供了机遇，并催生了一批新兴产业，成为全世界增长最快的产业之一。

在汽车、石化、通信等行业得到广泛应用，目前向环境与安全、医疗与健康等领域迅速扩展，并在新能源装备，半导体照明工程，柔性电子、光电子等信息器件方面具有重要的应用前景。

（―）汽车电子与消费电子产品

目前我国已成为全球第三大汽车制造国，2010年中国汽车年产量达到1826.5万辆，2020年有望超过2000万辆。

目前一辆中档汽车上应用的传感器约40个，豪华汽车则超过200个，其中MEMS陀螺仪、加速度计、压力传感器、空气流量计等MEMS传感器约占20%。

中国是世界上最大的手机、玩具等消费类电子产品的生产国和消费国，微麦克风、射频滤波器、压力计和加速度计等MEMS器件已开始大量应用，具有巨大的市场。

（二）新能源产业

用碳纳米管材料制造燃料电池可使得表面化学反应面积产生质的飞跃，大幅度提高燃料电池的能量转换效率，需要解决纳米材料（如碳纳米管）的低成本、大批量制造以及跨尺度集成等制造技术。

光伏市场正在以年均30%左右的速度增长。

2010年我国太阳能电池组件产量上升到10GW，占世界产量的45%，连续四年太阳能电池产量占世界第一。

物理学研究表明，太阳电池能量转换效率的理论极限在70%以上，太阳电池的表面减反结构是影响转换效率的重要因素，需要研究新型太阳电池材料、太阳电池功能微结构设计与制造等方面的基础理论、新原理和新方法。

（三）新型信息与光电器件

柔性电子是建立在非结晶硅、低温多晶硅、柔性基板、有机和无机半导体材料等基础上的新型电子技术。

柔性电子可实现在任意形貌、柔性衬底上的大规模集成，改变传统集成电路的制造方法。

据预测，柔性电子产能2015年将达到350亿美元，2025年达到3000亿美元。

制造技术直接关系到柔性电子产业的发展，目前待解决的技术问题包括有机、无机电路与有机基板的连接和技术，精微制动技术，跨尺度互联技术，需要全新的制造原理和制造工艺。

21世纪光电子信息技术的发展将遵从新的“摩尔定律”，即光纤通信的传输带宽平均每9~12个月增加一倍。

据预测，未来10~15年内光通信网络的商用传输速率将达到40Tb/s，基于阵列波导光栅（集成光路）的集成光电子技术已成为支撑和引领下一代光通信技术发展的方向。

2010年全球LED市场规模约为92.7亿美元，国内LED市场规模约为279亿元，LED封装工艺与装备是影响LED产业化的关键问题之一。

（四）民生科技产业

目前全国县级以上医院使用的医疗检测仪器几乎完全进口，大部分农村基层医院、卫生站缺少基本的医疗检测仪器。

基于微纳制造技术的高性能、低成本、微小型医疗仪器具有广泛的应用和明确的产业化前景。

我国约有盲人500万、听力语言残疾人2700余万，基于微纳制造技术研究开发视觉假体和人工耳蜗，是使盲人和失聪人员重建光明、回到有声世界的有效途径。

随着经济建设的快速发展，工业生产和城市生活引起的环境污染十分严重，生产和生活中的安全事故隐患十分突出，环境与安全问题已成为我国社会发展的战略任务，如大气、水源、工业排放的监测，化工、煤矿、食品等行业的生产安全与质量监测等，用于环境与安全监测的微纳传感器与系统成为重要的发展方向和应用领域。

三、关键技术

随着微纳制造基础科学问题的研究不断深化，涉及的尺度从宏观向介观、微观、纳观扩展，参数由常规向超常或极端发展，以及从宏观和微观两个方向向微米和纳米尺度领域过渡及相互耦合，结构维度由2D向3D发展，制造对象与过程涉及纳/微/宏跨尺度，尺度与界面/表面效应占主导作用。

微纳制造涉及光、机、电、磁、生物等多学科交叉，需要对多介质场、多场耦合进行综合研究。

由于微纳器件向更小尺度、更高功效方向发展以及材料的多样性，材料可加工性、测量与表征性成为重要的关键问题。

（―）微纳设计技术

1.现状

随着微纳技术应用领域的不断扩展，器件与结构的特征尺寸从微米尺度向纳米尺度发展，金属材料、聚合物材料和玻璃等非硅材料在微纳制造中得到了越来越多的应用，多域耦合建模与仿真的相关理论与方法、跨微纳尺度的理论和方法、非硅材料在微纳尺度下的结构或机构设计问题以及与物理、化学、生命科学、电子工程等学科的交叉问题成为微纳设计理论与方法的重要研究方向。

2.挑战

针对微纳机械学的发展趋势，结合MEMS/NENS、柔性电子、光电子制造的需求，重点研究包括下述方面。

（1）微纳设计平台：

集成版图设计、器件结构设计和性能仿真、工艺设计和仿真、工艺和结构数据库等在内的微纳设计平台；

微纳设计平台和AUTOCAD、ANSYS等其他技术平台的数据交换技术等。

（2）微纳器件和系统可靠性：

微纳器件可靠性设计技术、微纳器件质量评价和认证技术、典型可靠性测试结构技术等。

（3）复杂结构的设计：

多材料、跨尺度、复杂三维结构的设计和仿真技术；

与制造系统集成的微纳制造设计工具。

3.目标

预计到2020年，将开发出基于多尺度多能量域的实用化MEMS设计方法与工具，多材料、跨尺度、与制造系统集成的微纳制造设计工具。

（二）微纳加工技术

（1）微加工：

低成本、规模化、集成化以及非硅加工是微加工的重要发展趋势。

目前从规模集成向功能集成方向发展，集成加工技术正由二维向准三维过渡，三维集成加工技术将使系统的体积和重量减少1~2个数量级，提高互连效率及带宽，提高制造效率和可靠性。

非硅微加工技术扩展了MEMS的材料，通过硅与非硅材料混合集成加工技术的研究和开发，将制备出含有金属、塑料、陶瓷或硅微结构，并与集成电路一体化的微传感器和执行器。

（2）纳米加工：

纳米加工就是通过大规模平行过程和自组装方式，集成具有从纳米到微米尺度的功能器件和系统，实现对功能性纳米产品的可控生产。

目前被认同的批量化纳米制造技术主要集中在：

①纳米压印技术；

②纳米生长技术；

③特种LIGA技术；

④纳米自组装技术等。

（4）微纳复合加工：

随着微加工技术的不断完善和纳米加工技术与纳米材料科学与技术的发展，发挥微加工、纳米加工和纳米材料的各自特点，出现了纳米加工与微加工结合的自上而下的微纳复合加工和纳米材料与微加工结合的自下而上的微纳复合加工等方法，是微纳制造领域的重要发展方向。

（1）微加工技术：

针对汽车、能源、信息等产业以及医疗与健康、环境与安全等领域对高性能微纳器件与系统的需求以及集成化、高性能等特点，重点研究微结构与IC、硅与非硅混合集成加工及三维集成等集成加工，MEMS非硅加工，生物相容加工，大规模加工及系统集成制造等微加工技术。

（2）纳米加工技术：

针对纳米压印技术、纳米生长技术、特种LIGA技术、纳米自组装技术等纳米加工技术，研究纳米结构成形过程中的动态尺度效应、纳米结构制造的多场诱导、纳米仿生加工等基础理论与关键技术，形成实用化纳米加工方法。

（3）微纳复合加工：

重要研究“自上而下”的微纳复合加工、纳米材料与微加工结合“自下而上”的纳微复合加工和从纳米到毫米的多尺度结合等微纳复合加工技术。

（1）三维多功能微系统集成加工技术。

预计到2020年三维多功能微系统集成加工技术将得到整体突破，2030年将实现微纳集成制造装备的广泛应用。

（2）硅与非硅材料混合集成加工技术。

预计到2020年实现在信息、汽车、生物医药、传统产业改造等领域的实际应用，2030年实现多材料集成制造装备。

（3）纳米压印技术。

在陶瓷、高分子和玻璃等材料为基板生产器件时，纳米压印技术因其成本低、工艺简单和可靠性高而成为取代传统光刻工艺的良好选择。

复杂的任意图形的转移是该方向今后需突破的关键技术。

预计到2020年纳米压印在高档印刷品、平板显示、光伏电池、柔性电子、纳机电系统等纳米制造中得到广泛应用，2030年实现低成本大尺度纳米压印装备。

（4）特种LIGA加工技术。

100nm尺寸精度的SR（同步辐射）光刻用掩模板加工、100nm尺寸精度的高深宽比（10以上）光刻、纳米电铸、纳米模压等是特种纳米LIGA加工技术的重要研究方向。

预计到2020年特种纳米LIGA加工技术将开发成功，2030年将突破成本界限，实现LIGA工艺的低成本制造。

（5）可控自组装技术。

具有分子识别功能的新型非共价键中间分子体的设计、合成及纳米结构单元聚集体行为和自组织排列体系的构建，以生物分子马达为基础的微纳机器人、功能材料的应用，纳米结构模块化组装，生物分子纳米结构可控自组装是纳米结构的可控自组装技术的重要方向。

预计到2020年纳米结构的可控自组装技术将开发成功，在生物传感器、仿生、疾病诊断与治疗等领域得到应用，2030年将实现跨尺度多材料自组装技术及装备。

（6）无掩模纳米光刻技术。

无掩模光刻技术在计算机的控制下可直接在光或热阻薄膜材料上获得任意形状的模式构造，可满足微纳器件的特征尺度持续缩小以及产品个性化、小批量和更新周期变短的发展趋势，重点研究基于光学近场技术、SIL（SolidImmersionLens）技术、短波长技术、静电可缩小光学技术和MEMS等技术开发无掩模光学真刻制备数十纳米级复杂结构器件的技术。

预计到2020年无掩模纳米光刻技术将得到实际应用，2030年将实现10nm量级的无掩膜纳米光刻。

（三）微纳操作、装配与封装技术

针对微机电系统的组装、纳米互连和生物粒子等操作，需要研究基于单场或多场和尺度效应的高精度、高通量、低成本和多维操纵技术。

由于微纳结构、器件和系统的多样性，利用不同材料和加工方法制作的、不同功能、不同尺度的多芯片的集成封装最具代表性，是实现光、机、电、生物、化学等复杂微纳系统的重要技术，跨尺度集成是微纳制造中的关键问题之一。

针对微机电系统的组装、纳米互连和生物粒子等操作，重点研究基于单场或多场和尺度效应的高精度、高通量、低成本和多维操纵方法与关键技术。

由于在微纳尺度下进行装配，精密定位与对准、黏滞力与重力的控制、速度与效率等面临挑战，因此高速、高精度、并行装配技术成为未来的发展方向。

微纳器件或系统的封装成本往往约占整个成本的70%，高性能键合技术、真空封装技术，气密封装技术，封装材料，封装的热性能、机械性能、电磁性能等引起的可靠性等技术是微纳器件与系统制造的“瓶颈技术”。

预计到2020年，开发出面向细胞操作的高通量实用化的微纳操作系统、微米尺度的装配系统和系列化高速、并行微纳装配系统与装备。

到2030年，开发出实用化、一体化的微纳操作、装配与封装技术和系统。

（四）微纳测试与表征技术

特征尺寸和表面形貌等几何参数的测量；

表面力学量及结构机械性能的测量；

含有可动机械部件的微纳系统动态机械性能测试；

微纳制造工艺的实时在线测试方法和微纳器件质量快速检测等是微纳测试与表征领域的重要问题。

微纳测试与表征技术正朝着从二维到三维、从表面到内部、从静态到动态、从单参量到多参量耦合、从封装前到封装后的方向发展。

探索新的测量原理、测试方法和表征技术，发展微纳制造实时在线测试方法和微纳器件质量快速检测系统已成为了微纳测试与表征的主要发展趋势。

重点研究微纳结构中几何参量、动态特性、力学参数与工艺过程特征参数等微纳测试与表征原理和方法，大范围和高精度的微纳三维空间坐标测量、圆片级加工质量的在线测试与表征、微纳机械力学特性在线测试等微纳制造过程检测技术与装备，微纳结构、器件与系统的可靠性测量与评价技术等。

预计到2020年，开发出微细结构高空间分辨图谱显微层析成像、检测技术与装备。

预计到2030年，开发出基于SPM和透射电子显微镜等原理的原子、分子分辨率纳米表征测试技术与装备，并将得到实际应用。

（五）微纳器件与系统技术

工业与生产、医疗与健康、环境与安全等工业与民生科技领域是微纳器件和系统的重要应用领域，批量化、高性能以及与纳米与生物技术结合是微纳器件与系统的重点和前沿发展方向。

利用和结合多种物理、化学、生物原理的新器件和系统；

超高灵敏度和多功能高密度的微纳尺度及跨尺度器件和系统将是发展的主流方向。

微纳器件与系统由于具有微型化、高性能、低成本、批量化的特点，在汽车、石油、航空航天等国民经济支柱行业以及医疗、健康、环境、安全等民生科技领域具有广阔的应用前景，并将催生出许多新兴产业。

（1）预计到2015年，高性能MEMS压力传感器、MEMS加速度传感器、MEMS陀螺、微麦克风等微纳器件在汽车、石油和工业控制等领域实现批量化应用，MEMS产业化形成一定规模。

若干集成化微纳器件与系统，面向糖尿病、心血管疾病、传染病、癌症等多种重大疾病监测微系统，植入式人工耳蜗达到实用化，实现推广应用。

开发出多种面向物联网的微纳传感器、微能源等器件，实现在人体健康监护、危险品与环境监测、智能电网等方面的应用。

（2）预计到2020年，具有一定光感的人工视觉假体初步实现人体临床应用，主动式人体肠道诊疗微机器人达到实用化，介入式血管诊疗微纳米机器人进入临床阶段。

基于纳米喷印的柔性电子产品和基于纳米压印的无油墨印刷、平板显示等产品实现规模化应用。

基于微纳复合制造技术的高灵敏度、低成本疾病与环境检测微系统达到实用化。

（3）预计到2030年，人工视觉假体的图像识别能力和集成度得到进一步提高，实现一定规模的应用，介入式血管诊疗微纳米机器人达到实用化。