赛迪顾问中国微系统MEMS产业战略研究.docx

1、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

2、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

3、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

4、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-Mechanical System）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

5、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

6、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

7、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

8、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、Nova Sensor、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

9、、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

10、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1 MEMS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（Bulk micromachining）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

11、工艺（Surface micromachining）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

12、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B

13、arth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

14、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

15、，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