赛迪顾问中国微系统MEMS产业战略研究.docx

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赛迪顾问中国微系统MEMS产业战略研究

中国微系统（MEMS）产业战略研究

（2014年）

赛迪顾问股份有限公司

目录

前言3

一、研究背景3

二、研究目的3

第一章微系统（MEMS）概述4

一、MEMS的定义4

二、MEMS发展历程5

三、MEMS的特点7

四、MEMS产业链8

第二章微系统（MEMS）产业现状11

一、中国MEMS产业总体情况11

二、中国MEMS产业区域分布特征11

第三章微系统（MEMS）产业重点城市发展15

一、整体呈现“一轴一带”聚集发展的总体格局15

二、重点区域产业布局15

第四章微系统（MEMS）产业发展趋势与应对策略24

一、MEMS产业发展趋势24

二、对政府发展MEMS产业的策略建议25

附件一国外MEMS产业概况27

一、美国27

二、日本27

三、欧洲27

前言

一、研究背景

传感器与计算机、通信并称现代三大信息技术支柱，广泛应用于工业、国防、消费领域，代表着国家尖端科技和核心基础产业的发展水平。

在国家相继出台的《物联网“十二五”发展规划》、《电子信息制造业“十二五”发展规划》、《集成电路产业“十二五”发展规划》、《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中，新型传感器、微系统（MEMS）、智能传感器的产业化被列入到核心关键技术发展路线图，得到国家产业政策的大力扶持。

随着物联网产业的纵深发展，以MEMS为代表的新型传感器发展程度直接决定了物联网应用的基本水平。

MEMS的低成本、智能化等性能对物联网应用系统举足轻重，没有MEMS的支持，物联网应用将失去构造的基础。

只有增强MEMS技术的自主创新能力，才能抢占技术制高点，有力推动我国经济发展方式由生产驱动向创新驱动的转变。

二、研究目的

中国MEMS产业正处于从科研成果向产品化转变的关键时期，国内MEMS企业的崛起将改变中国MEMS小产业大市场的格局，撼动跨国企业绝对的市场地位，为自主创新科技的长期持续发展打下基础。

赛迪顾问持续跟踪微系统（MEMS）产业和市场的发展动态，对国内产业的现状、特点以及存在的问题进行深入分析，力求准确把握市场和产业的发展动向，旨在为各级政府布局、指导微系统（MEMS）产业的发展提供参考，为企业制定业务发展战略、重大产业决策提供支撑。

第一章微系统（MEMS）概述

一、MEMS的定义

1、MEMS是什么？

MEMS概念由美国专家20世纪后期在DARPA的一次会议上提出，并从此流行起来。

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）一般译为微系统或微电子机械系统，是将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理、控制电路、接口、通信、电源等集成于一体的微型器件或系统。

2、微系统的种类

MEMS包括多个功能单元，涉及学科和应用领域十分广泛。

根据组成单元的功能不同，MEMS大体可以分为微传感器、微执行器、微结构以及包括多个单元的微集成系统。

根据应用领域不同，将MEMS应用于无线通信、光学、生物医学、能源等领域，就分别产生了射频MEMS、光学MEMS、生物MEMS和能源MEMS等。

实际上，几乎所有领域的微型化或应用都会产生对应的MEMS分支方向。

（1）微传感器是感知和测量物理或化学信息的器件，是历史最长、产业化最早、产值最高的MEMS器件。

例如，测量加速度的传感器机械结构位于芯片中心，利用表面微加工技术制造悬空多晶硅梳状叉指电容，信号处理电路分布在传感器周围。

当有加速度时，作用在可动叉指的惯性力改变了可动叉指与固定叉指之间的距离，引起叉指电容变化，通过集成电路测量电容的变化得到加速度信号。

（2）微执行器是用来驱动MEMS内部微结构或者对外输出动作的器件，是MEMS的另一个重要组成部分。

微执行器除了单独使用外，还是很多MEMS应用期间的核心组成部分，例如MEMS微镜主要利用微执行器的动作反射光线。

（3）射频MEMS是将MEMS应用于无线通信系统中，通过实现高性能的集成无源器件，如开关、谐振器、可调电容和可调电感等，使无线通信系统能够像CMOS集成电路使用晶体管一样大量地使用无源器件，从而提高无线通信系统的性能、降低成本、减小体积，具有广阔的应用前景。

（4）光学MEMS是将MEMS应用于光学通信和显示系统。

例如，德州仪器公司利用表面微加工技术，制造用于高清晰电视和投影机的数字微镜（DMD）。

DMD的电路首先对光信号进行数字处理，静电执行器根据该信号控制微镜转动，数字式地控制和调整反射光的方向，实现高质量的图像。

（5）生物MEMS是将MEMS应用于生物医学领域中的一个研究热点，包括药物释放、临床诊断、微创外科手术、微型生物化学分析系统等。

生物MEMS在疾病诊断、外科治疗和生化分析等领域有广泛的应用。

二、MEMS发展历程

“微系统”概念自1959年费曼教授在美国物理学年会上提出，历经半个世纪的发展，目前已由传统的汽车、医疗拓展到消费电子、通信等多种应用领域，成为几乎所有领域微型化后都必然面对的发展方向。

MEMS在全球的发展历经四个阶段：

第一阶段，起始于上世纪60年代初至70年代，初步完成了微系统制造技术和相关的理论基础，出现了可商用的代表性产品如压力传感器、加速度传感器，具备了实现初步产业化的先决条件。

第二阶段，上世纪70年代末至80年代，全球各国开始相继开始展开微系统的研究，并逐步增加投入资金的规模。

集成传感器成为主要的研究对象，MEMS新加工工艺不断出现，“MEMS”一词在学术会议中被广泛采纳并成为世界性学术用语。

美国公司如霍尼韦尔、NovaSensor、摩托罗拉等开始大批量生产压力传感器，用于汽车和医疗领域，MEMS传感器在美国首先实现了压力传感器的产业化。

第三阶段，上世纪90年代初至90年代末，全球各国对微系统的研究投入了大量资金，微系统进入高速发展期，深入研究MEMS相关理论、材料、加工、设计、仿真、集成、测量等。

中国在上世纪90年代开始微系统的研究，当时主要有清华大学微电子所、复旦大学、东南大学等。

围绕个人电脑和信息技术，以及汽车工业对传感器的巨大需求，微系统开始新一轮商业化浪潮，TI公司的DMD、惠普和IBM等公司的喷墨打印头、ADI和博世等公司的加速度传感器成为这一阶段的代表性产品。

第四阶段，上世纪90年代末至今，微系统成为几乎所有领域微型化后都必然面对的趋势，形成了纳米器件、生物医学、光学、能源、海量数据存储等诸多分支，并从单一MEMS器件和功能向系统功能集成方向发展，带动与之相关的纳米科学、生化分析、微流体理论等科学研究。

微系统产业化方面，90年代出现的DMD、喷墨打印头、微陀螺、加速度传感器、微麦克风等继续支撑着微系统市场，射频微系统和光学微系统开始规模化应用于通信领域，生物微系统和芯片实验室等生化分析和生物医学应用蓄势待发。

表1MEMS发展历程

时间

事件

里程碑

1954年

Bell实验室发现碱金属溶液对硅材料刻蚀的各向异性；

理论

1959年

物理学家Feynman在美国物理学年会上发表演讲，提出“微机械”设想；

理论

1962年

Kulite公司研制出硅微压力传感器，用硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀，是MEMS微传感器和MEMS体加工（Bulkmicromachining）的起始点；

新工艺

1967年

美国西屋研究实验室Nathanson研制出硅谐振栅晶体管，是MEMS执行器和MEMS表面工艺（Surfacemicromachining）的起始点；

新工艺

1968年

美国Mallory公司Wallis发表硅玻璃静电键合技术，成为后来微传感器封装的主要技术之一；

新工艺

1974年

美国国家半导体公司推出压力传感器并批量生产；

产业化

1976年

密歇根大学研制出电路集成的压力传感器；

新器件

1977年

斯坦福大学研制出电容压力传感器；

新器件

IBM研制出MEMS喷墨打印头；

新器件

1978年

IBM的Bassous发明了硅微喷嘴，是MEMS微结构的起点；

新器件

1979年

HP研制出MEMS喷墨打印头；

新器件

斯坦福大学研制出电容加速度传感器；

新器件

霍尼韦尔和摩托罗拉推出压力、加速度传感器并批量生产；

产业化

1980年

IBM的Petersen研制出扭转微镜，开始了光学MEMS的研究；

新器件

1982年

IBM的Petersen发表论文，给出硅的力学性能和刻蚀数据，促使硅材料成为MEMS的主流材料；

理论

1982年

霍尼韦尔研制出血压传感器；

新器件

1983年

物理学家Feynman再次发表演讲，详细阐述MEMS的发展和未来方向，初步提出NEMS概念；

理论

1985年

德国科学家发明了LIGA加工技术，能够制造高深宽比的三维结构；

新工艺

加州大学伯克利分校的Howe研制出与MOS电路集成的多晶硅谐振梁，证明了多晶硅结构与IC工艺的兼容性；

理论

加州大学伯克利分校、麻省理工、威斯康星大学完善了牺牲层微加工技术，由惠普的Barth命名为“表面微加工”；

新工艺

1986年

Shimbo发明了硅-硅键合技术；

新工艺

IBM的Binning研制出基于MEMS的原子显微镜，获得诺贝尔奖；

新器件

1987年

IEEE召开第一届MEMS学术会议；

理论

1988年

麻省理工研制出微静电马达；

新器件

1989年

在盐湖城召开的会议上，加州大学伯克利分校的Howe建议用MEMS为这一领域正式定名；

理论

1991年

美国Hughes公司和Rockwell公司在美国国防高级研究计划署的支持下发布了MEMS开关等研究成果，使MEMS通信器件成为热点；

新器件

1992年

斯坦福大学的Solgaard研制出MEMS衍射光栅；

新器件

1993年

北卡罗来纳州微电子中心为MEMS加工提供多用户工艺（MUMP），采用表面微加工技术，能够制造3层多晶硅结构；

新工艺

ADI公司推出基于表面微加工技术的微型加速度传感器ADXL50，广泛应用于汽车电子；

产业化

哈佛大学的Whitesides研制出的软光刻技术能够制造高分子聚合物微流体器件；

新工艺

1994年

美国Sandia国家实验室研制出的表面微加工工艺可制造5层多晶硅结构，可实现复杂的器件结构；

新工艺

德国博世公司研制出时分复用单晶硅干法深刻蚀技术；

新工艺

日本日立公司研制出低温硅深刻蚀技术；

新工艺

密歇根大学研制出电路集成的微陀螺；

新器件

1996年

TI公司推出DMD微镜；

产业化

1998年

密歇根大学研制出集成的PCR芯片分析系统，开创了MEMS的生化和流体应用；

新器件

资料来源：

赛迪顾问整理2014，02

三、MEMS的特点

MEMS多样而且复杂，但是它们具有以下的共同特点：

（1）多学科交叉融合。

MEMS横向和纵向发展都很迅速，学科内容已由电子和机械交叉发展到机械、物理、化学和生物等学科的交叉，已由单个器件发展到系统集成并开始由MEMS向NEMS发展。

多学科导致MEMS产业没有严格遵照“摩尔定律”发展，而由于MEMS存在可动部件导致器件在可靠性及制造工艺方面的研发难度更大、周期更长。

（2）多能量域系统。

能量和信息的交换和控制是MEMS的主要功能，MEMS具有感知和控制外部世界的能力，能够实现微观尺度下电、机械、热、磁、光、生化等领域的测量和控制。

（3）基于微加工技术制造。

MEMS起源于集成电路制造技术，大量利用集成电路制造方法，力求与集成电路制造技术兼容。

但由于MEMS的多样性，其制造过程引入了许多新方法，这使得MEMS制造与集成电路制造的差别越来越大。

（4）微观效应显著。

进入纳米尺度后，经典物理学规律仍然有效，但影响因素更加复杂和多