自然辩证法大作业

这想自然辩证法大作业：

当前重大科学研究案例分析

1选择一个系统的介绍和描述

2分析这个科学研究案例提出的背景和关键问题

3分析这个案例的技术路线和方法特色

4基于以上分析，总结这个案例可以借鉴的经验、技术和给我的启示

MEMS技术的研究案例

在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为l一10毫米的小型机械，l微米二-1毫米的微型机械以及1纳米～l微米的纳米机械。MEMS(MicroElectroMechanical System)顾名思义即微机电系统，MEMS从广义上包括了微型机械和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指采用微机械加工技术可以批量制作的，集微型传感器、微型机构，微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件和微型系统．MEMS技术特点可由3个M 概括：即小尺寸(miniaturization）、多样化(multiplicity)、微电子(micro electronics)．MEMS 技术经过八十年代初期预言，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事有重大影响的技术领域，将成为2l世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径．

MEMS主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。

MEMS提出的背景和关键问题

背景：近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长,说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。著名物理学家Richard P.Feynman 曾敏锐地观察到了这一领域在科学技术方面潜在的巨大推动作用。他曾在1959年预言，系统的微小型化与低温、高压物理方面的研究一样，将具有广阔的发展空间和重要意义。微电子技术的发展，不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新，而且在许多领域引发了一场微小型化的革命以加工微米/ 纳米机构和系统为目的的微米/ 纳米技术在此背景下应运而生。一方面，人们利用物理、化学方法将原子和分子组装起来，形成有一定功能的微米/ 纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米/ 纳米结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科（纳米科技）的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命，导致了MEMS 即微电子机械系统技术的出现。

MEMS技术的关键问题：

MEMS 的应用将对军用、民用的各个领域产生重大影响，这已经成为一个共识。但是要使目前发源于半导体工业的MEMS 技术像集成电路那样成熟并能渗透到各个领域，除了开各种新加工工艺和完善现有工艺外，还要解决如下问题：CAD技术、封装与测试、可靠性、应用研究和标准化问题。在CAD、封装与测试方面，MEMS 技术与IC 最大的区别在于前者要与现实物理世界发生多方面的相互作用，涉及多种能量和物质的传输和处理，因此所要解决的问题比后者复杂得多，成为MEMS 技术进一步发展的瓶颈，目前人们已对这方面的问题给予了高度的重视，正在努力加以解决，并有所突破.

但是MEMS技术的行业门槛比较高，国内几乎就没有一流的Fab，大多数大学的研究也主要是进行前段的模拟设计研究，只有少数大学/公司有一定程度的工艺积累，相对国外比较落后。MEMS技术还没能像CMOS那样形成行业标准的工艺平台，国内又没有能够有希望制定行业标准的高端Fab，因此国内大多数公司以及创业者都停留在前端设计或者炒概念的阶段。MEMS的Fab投资巨大，对创业团队的要求比较全面，国内很难有一支团队能够整合。现阶段中国很多从事MEMS行业的人士（很多是半导体行业的）都会走和国外合作或者和大学合作的道路切入。国内积累的薄弱让这个行业风险巨大，希望将来不会成为一个概念泡沫。综上，MEMS行业将来在国内市场巨大，也有政府支持，但是国内积累薄弱，起步比较艰难，风险不小。

技术路线和方法特色

技术路线：

MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视,主要技术途径有三种,一是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;二是以德国为代表发展起来的LIGA技术;三是以日本为代表发展的精密加工技术。最近,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。回顾MEMS发展进程，国外发展MEMS的特点有如下四个方面：1.国家高度重视在初期,政府行为起主导作用；2.企业介入、市场牵引在MEMS发展初期,美国就重视牵引研究主体-大学与企业的结合；3.重点领域明确，美国在发展初期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；4.4.重视基础技术的建设十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发展。美国除在研究单位建立独立的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加工基地,如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。

国内概况:我国MEMS的研究始于九十年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持.经过十年发展,我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和致动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面已取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为保证我国的MEMS技术进一步发展提供了较好的平台。但是由于历史原因造成的条块分割/力量分散,再加上投入严重不足,尽管已有不少成果,但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大.

所以对MEMS发展战略的建议是：1.集中力量,统一指挥:打破部门、地区的界限,集中优势力量确保计划的实施,在落实任务和经费分配时实行招标或择优委托,把任务落实到确有优势的单位和专家集体,并重点在研究单位相对集中的地区建设若干个各具特色的材料、设计、工艺、装备与制造基地,形成MEMS先进制造加工基地网,避免过去各单位重复研究、分散立项的弊端。经费专款专用,在人、财、物上集中力量统一指挥,充分发挥有限资源的作用。2.引进人才,加强合作:把人才作为MEMS研发的关键因素之一,通过多种机制和特惠政策支持,吸引国内外MEMS研发的高层次人才。积极开展MEMS的国际交流和合作,提高我国MEMS研究的起点。3.跨越发展:在MEMS设计、工艺、制造装备等方面,鼓励创新,开发具有自己知识产权的技术,实现MEMS的跨越发展。

MEMS不是一个新兴的学科，但是属于一个新兴的产业，国外起步比较早，比如硅加速度计和陀螺仪．BOSCH，ADI在上个实际90年代初就有商用的产品，当时大都是工业用和汽车用．这两年比较热，一个主要的原因是移动手持产品中找到了生存点．但是这个市场已经

被几家大公司垄断，ST，Bosch等等．不过价格还行，台湾和国内有不少小公司在做，过两年会变成白菜价格。硅MEMS这块，国内最大的壁垒是前端传感器工艺，没有标准化的工艺，所有东西都需要定制．MES电路这块其实想对于其他算是简单，速度差不多不高于音频，精度相比与音频也差得远，当然做硅晶振的除外.

对于MEMS设计来说，标准化的流程还未形成，MEMS设计在我看来核心步骤是建模与多物理场耦合仿真，相比IC设计对从业人员在电路方面的高要求，MEMS设计涉及力学、流体力学、热学、电学、电磁学等多学科交叉问题，要求广泛的物理及数学知识。建模软件常用AutoCad与Solidworks（我用的是Solidworks），仿真软件常用的是Ansys，Intellisuite，Conventorware。与已经非常成熟非常标准化模块化的设计不同，MEMS设计工程师必须要对MEMS工艺有非常深刻的认识。MEMS产品远没有IC产品那么复杂的二维图案，却有着精巧的三维结构。一个产品出来之后，工程师想去模仿其设计，建立一个一模一样的模型，并不是一件非常有难度的事情（事实上这事帮公司做过好多）。但是，这仅仅是MEMS设计的第一步也是最简单的一步，如何讲这个结构制造出来，才是重中之重。非标准化带来的结果就是少数厂家占领MEMS特定区域（包括传感器（压力传感器，磁传感器，加速度计，陀螺仪，麦克风，温度传感器，湿度传感器，气体和化学传感器），执行器，结构件，微流控，光电器件）的绝对制空权，比如TI，ST，Bosch，HP，Infineon，Knowles等等。

在IC产业在国外刚刚兴起的时候，中国错过了那个浪潮，所留下的伤痛就是到现在IC产业的咽喉还是捏在老外的手中，国家显然也意识到这个问题，刚刚才投资1200亿扶植集成电路产业。MEMS产业兴起时间不长，与国外虽然存在一定差距，但也仅仅是一个起跑快慢的区别，我认为MEMS设计是不可能像IC那样标准化的一个产业，MEMS更看重的是一个积累，设计与经验的积累，而且有非常大的创新空间，是一个非常具有潜力和钱利的产业。这就是我认为的MEMS技术路线的特色和特点。

MEMS技术在技术上给了我们很多可以借鉴的地方，比如通过格里奥利力实现在微型芯片上测量角加速度在其他应用领域也可以得到很好的应用。MEMS技术的发现和发展也给了我很多经验和启示：1.随着人们对生活品质的追求越来越高，产品需求必定会朝更便利化、更节能化、功能更丰富的方向发展，所以各种元器件的微型化必将是以后硬件发展的趋势和方向。2.万事开头难，但是也要用于做敢吃螃蟹的第一人，虽然我是个刚入学不久的研究生，但是在我看来，任何研究只有敢做前人没做过或者不敢做的才可能有所成就，就拿MEMS 来说，国内前景并不好，因为现在人们追求的都是稳利的投资，没人愿意去在一个并不成熟的研究上赌博。其实这个研究虽然不算热门，但是也是非常需要人才，尤其是封装和工艺方面。所以我们作为研究生我觉得我们要敢于尝试敢于创新，不要怕失败，我们还很年轻。3.每个研究发明不是靠灵机一动就得来的，必定是通过长期的大量的研究积累和查阅资料，日复一日努力得出来的，所以心态上不应该有侥幸心理，MEMS在外国也是经过了很长一段时间的研究才有了现在的成果，而我们很多研究生同学都希望一秒钟就能搞出个什么花样来，那是不可取的，应该静下心来踏踏实实做研究。5.最后，MEMS技术给我最大的启示是，只要你敢想，没有做不到的，别急着否定自己，比如MEMS陀螺仪，谁曾想过能在如此微小的器件上安装角速度传感器，最后还不是通过哥里奥利力成功实现，条条大路通罗马，要善于发现各种路，成功就在不远处。这就是MEMS技术给我们的启示。