中国人民解放军上将：MEMS等微纳技术对国家科技战略发展很重要！

1995年，时任国防科工委主任、中国工程院院士、中国人民解放军上将丁衡高在《中国惯性技术学报》、《仪器仪表学报》等期刊上，发表题为《面向21世纪的军民两用技术——微米/纳米技术》的文章，这是最早倡导国家发展微米纳米技术的内容之一。丁衡高院士是我国仅有的两位“院士上将”之一，是国家微米纳米技术倡导人，对推动我国MEMS技术等微纳技术的发展和战略制定，起到重要作用。

本文来自该内容，主要介绍了微型机电系统（MEMS）、专用集成微型仪器、小型微型和“纳米卫星”、纳米技术等应用前景和当时各国发展情况。文中指出，在80年代日本就每年投资1.5~2亿美元发展MEMS，日本不邀请外国科研人员参与这项实际工作；美国将“微米级和纳米级制造”写入《美国国家关键技术》，并重视MEMS共性基础的建设，以及教育与商业普及，

文中不少设想，如今已经实现，譬如MEMS传感器在信息系统中的广泛使用，以MEMS技术制造的“纳米卫星”实现近地通信——如马斯克的“星链”计划……

专家档案

丁衡高，惯性技术和精密仪器专家，中国人民解放军上将，中国工程院院士。1952年毕业于东南大学机械系（现机械工程学院）。历任国防科工委主任，中国工程院主席团成员，中国宇航学会名誉理事长…等职位。丁衡高是我国战略导弹惯性技术奠基人之一，我国惯性技术学科发展的主要推动者，国家微米纳米技术倡导人。长期从事制导武器的陀螺仪、加速度计、惯性平台系统等的研制工作。

自微电子技术问世以来，人们不断追求越来越小、越来越完善的微小尺度结构的装置，并对生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器以及数字通信等领域，不断提出微小型化方面的更新更高的要求。

按照一种习惯的划分，装置尺度在 1（10 ⁻ ³米）~10毫米范围的称微小型（mini-）机械；在1微米（10 ⁻ ⁶米）~1 毫米范围的称微型（micro-）机械；在1纳米（10 ⁻ ⁹米，或10埃）~1微米范围的称纳米（nano-）机械。

用于制造上述尺度结构的工具有两类：分子处理工具和批量加工工具。化学家和分子生物学家采用越来越精良的分子处理工具来制造和处理精细的分子结构（如蛋白质）。

借助于扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）和原子力显微镜（atomicforce microscope，AFM），物理学家把化学和分子生物学的处理方法结合起来，开辟了从专用集成电路（application specific integrated circuits，ASIC），到微型机电系统（microelectron-mechanical systems，MEMS），到专用集成微型仪器（application specific integrated microinstrument，ASIM），再到纳米技术（nanotechnology）的开发批量加工工具的技术。这一系列技术可以概括为微米纳米技术（micro-/nanotechnology）。

当前，微米/纳米技术在国际上已初露头角，它使人类在改造自然方面进入一个新的层次，即从微米层次深入到原子、分子级的纳米层次。正像产业革命、抗菌素、核能以及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米技术将开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力实现又一次飞跃，在信息、材料、生物、医疗等方面导致人类认识和改造世界能力的重大突破，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响。

微米/纳米技术作为本世纪出现的高技术，发展十分迅猛，并由此开创了纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新的高技术群。如同当代高新技术都往往具有军民两用性一样，纳米技术也是面向世纪的一项重要两用技术，有着广阔的军民两用前景。

微米纳米技术民用和军用方面已开发出的一些成果和许多可能的应用是吸引人的。美、日、西欧等国家均投入相当的人力和财力进行开发。目前，微米纳米技术在军事应用方面的工作主要集中在微型机电系统（MEMS）和专用集成微型仪器，对纳米卫星也进行了论证和探索。这些都很值得我们重视。

1、微型机电系统（MEMS）

在过去35年电子革命的过程中，微电子技术的产生和发展使门电路的尺度不断缩小，使得手持蜂窝式移动电话、地球低轨道上重仅10公斤的电子新闻广播系统，以及可以与70年代大型计算机相匹敌的个人计算机成为现实。这一切以及90年代其他电子奇迹的关键，都在于灵活的批量加工工艺，它可以使数以百万计的灵巧的微小型零部件能够同时制造。数兆位的存储器芯片、微处理器以及射频分系统，已取代门电路成为主要的部件。

10年前，人们在意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了一场类似的革命。这就导致了微型机电系统（MEMS）的出现，如微米尺度的压力传感器、加速度传感器、化学传感器和各种阀门等。

微米级制造包括尺寸小于1微米材料的制造和使用。微米级制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积、外延生长、扩散、离子注入、测试、监测及封装。纳米级结构的尺寸范围为10~100纳米或更小。纳米级制造包括微米级制造中的一些技术（如离子束光刻），但也包括为了利用材料的本质特性以期获得理想的结果而对材料进行原子量级的修改及排列的技术。

1991年3月22日，美国国家关键技术委员会向美国总统提交了《美国国家关键技术》报告。其中，第8项为“微米级和纳米级制造”。报告指出，“微米级和纳米级制造涉及显微量级（微米级制造）和原子量级（纳米级制造）的材料及器件的制造和使用”；“对先进的纳米级技术的研究也可能导致纳米级机械装置及传感器的生产”；“微米级和纳米级技术的发展已使人们能开发出一类新的显微量级尺寸的器件。这些器件能在诸如环境控制、医学等不同的领域工作。它们的低成本及比现有器件高的灵敏度可能使许多领域会有突破”。

美国发展微型机电系统关键性的研究中心基本上都分布在各个大学，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学及威斯康星大学等。美国国防部高级研究计划局重视并积极赞助MEMS的国防应用，现已建立了一条MEMS标准工艺线来促进新型装置的迅速开发和小批量生产。

加州大学伯克利分校和美国其他研究所，已在微电子技术的基础上用微米加工方法制作出微小齿轮和微型电机。日本和德国也在积极推进微型机械加工技术。德国还研制出一种称之为LIGA的微结构成形工艺。利用LIGA工艺的微型产品大大改善了MEMS的现状，使MEMS向实用化跨出了一大步。

目前，MEMS已从实验室探索走向工业应用，并正在迅速发展。已研制成一些引人注目的器件，其中许多几乎是肉眼看不见的，这些新型器件包括回转式电机、线性执行机构、加速度计、谐振器、传动装置、操纵杆之类的工具以及其他各式各样的部件。

迄今为止，传感器已经表明极具商业应用的希望，可用于加速度计，惯性制导系统，化学传感器等。

在80年代，发达国家就注重发展MEMS。据介绍，日本每年投资1.5~2亿美元用于发展这一技术。在这方面，美国也不甘落后，美国国防部高级研究计划局（ARPA）制定了一项将MEMS技术从实验室进入军事应用的三年计划，并拨出2400万美元支持这一计划。

据文献提供的信息，美国Draper实验室在1991年研制出一种惯性测量元件（IMU）样机，尺度为2厘米 X 2厘米 X 0.5厘米，重5克，陀螺漂移误差为10度/小时或更小。Draper实验室当前的努力目标是：1~10度/小时，并瞄准0.5度/小时的新目标。专家们深信还可以达到0.1~0.01度/小时的精度。重约10克，精度1度/小时，价格10美元的惯性测量元件将会有巨大的商业市场。

2、专用集成微型仪器（ASIM）

“微米/纳米技术”一词的含义，包括了从亚毫米到亚微米范围内的材料、工艺和装置的综合集成。微米技术专家已成功应用的芯片制造技术——这是近几十年来实现微小型化的主要途径——在“纳米”技术的开发中起着重要的支持作用。

微米/纳米技术的实际应用便是微型工程（microengineering）。微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和作动器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题。利用这项技术可以把传感器、作动器以及信号和数据处理装置集成在一块普通的基片上。

微型机电系统（MEMS）与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微型仪器（ASIM）概念的出现。ASIM的制造，是从半导体工艺即专用集成电路（ASIC）技术和MEMS技术发展而来的。具有亚微米特点的专用集成微型仪器会使亚毫米器件降低研制与试验费用、缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对振动的敏感性和通过冗余提高可靠性。

同ASIC一样，ASIM可以用微电子工艺技术的方法批量制造。但是ASIM比ASIC更为复杂，因为它既有固定的部件又有活动的部件，而且采用诸如生物或化学活化剂之类的特殊材料。确切地说，ASIM是一种高水平的微型器件。这种器件把几种微机电系统组装在一块硅基片上，或者说就如同一个有许多基片模块的组件，这就是一个高度复杂的分系统。

目前正开发中的的原型已可以探测出局部地区和遥远地区的环境。信息可以通过基片上的通信系统传送到相邻的微型仪器，或传送到中央处理机。

ASIM将代替现有航天器和各级运载火箭上目前使用的分系统，然后再发展成为独特的空间系统结构。ASIM将在航天器和航天系统技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”。

ASIM现已进入商业市场，如压力传感器、（汽车）气袋控制器。美国航宇局已着手实施一项低费用（不足1亿美元）的“发现号”微型卫星计划。霍普金斯大学、洛斯·阿拉莫斯国家实验室和过去从事“战略防御计划”（SDI）的一些部门也正积极考虑小型卫星的研制任务。

鉴于许多商业应用的需要，微型机电系统和专用集成微型仪器标准加工工艺线正在发展，它可用以生产可靠、低成本的航天系统用的专用集成微型仪器。

3、小型、微型和“纳米卫星”

专用集成微型仪器技术能应用于小型卫星的一些单个功能部件，导致各种超小型卫星分系统的出现。下一步就是不可避免的在航天系统中使用专用集成微型仪器。预计在5~10年内能得到适合于航天应用的MEMS。

于是，就有了小型、微型和“纳米卫星”的概念。

小型卫星（minisatellite）：能用小型运载火箭发射的常规设计的航天器；重量范围约为10~500公斤。

微型卫星（microsatellite）：在所有的系统和分系统中全部体现微型制造技术成果并能执行卫星应有的功能；重量范围约为0.1~10公斤。

“纳米卫星”（nanasatellite），依靠一种分布式的体系结构完成自身功能，并将尺度减至最小可能的微型卫星。重量范围约小于0.1公斤。以硅或其他半导体为衬底的专用集成微型仪器，能应用于制导、导航、控制、姿态控制、热控制、推进、能源和通信等航天器系统。

美国一些公司已在研究在芯片上制造卫星的方案，并得到了宇航局“小企业创新研究”合同的支持。

“纳米卫星”代表了卫星发展、构型和运行体系结构的一种新模式。当某种设计方案经过飞行试验验证之后，使用单一半导体标准工艺线就可制造出成批的复制品。这就使得低成本地研制和试验新卫星，低成本地制造卫星，以及增加可靠性和灵活性成为可能。相比之下，常规卫星由成百上千个分立部件组装而成，而这些部件又是由许多制造点生产的。

“纳米卫星”概念的出现，使分布式航天体系结构成为可能。这种体系结构相对免除了单个航天器失效的影响，这将导致增加未来航天系统的生存力和灵活性。

一种简单的“纳米卫星”可以由外表面带有太阳能电池和天线的、在硅基片上堆砌的专用集成微型仪器组成。“纳米卫星”也代表了卫星利用方式转变的一个范例。

“纳米卫星”最好的应用是布设成局部星团和分布式星座。如果在太阳同步轨道施放“纳米卫星”，在18个等间隔的轨道面上，每个轨道面上等间隔施放36颗“纳米卫星”，一共648颗这样的卫星就可以保证在任何时刻，对地球上任何一点的连续覆盖。“纳米卫星”可以大批量生产，成本效益比一般的卫星好得多，从而保证同时使用几百颗卫星。设想“纳米卫星”可用于低地球轨道通信和地球观测。

把微米/纳米技术引入航天系统，需要材料、微电子制造、三维微型机械加工以及各种特殊的航天器分系统（结构、推进、温度、导航、动力、通信）等不同领域专家的密切合作。

4、 纳米技术

计算机工业一直不断地追求超高集成度的芯片。当芯片线宽尺度进一步缩小时，在某个转折点，也许是150~100纳米处，也许是在更小的尺寸上，因量子力学效应的增强，将会遇到很大困难。但是，科学家仍然为克服这种困难，在不断地探索，继续把这门先进的新技术推向前进。

纳米术的实质在于，多少年来人们在不断做出越来越小的装置，直到趋近分子尺度。达到这个转折点，人们不再能把装置做得更小了，除非他们从分子开始，即在装配器中对分子进行装配。

根据分子工程（molecular engineering）的概念，人们现在可以按照需要对物质从分子水平上构筑；分子工程有理论，即量子力学；也有分析计算的手段，即基于概率论的多座标复杂偏微分方程计算机求解方法；还有可视化的研究工具：体现“灵境”（virtual reality）的仿真。

数字电子技术的基本特征，是以完美的控制和离散方式快速处理信息，从而产生信息革命。信息革命的核心是信息属性劳动资料的创造，如能处理任何离散形式信息的可编程数字计算机。

今天，又出现了纳米技术。纳米技术的核心是装配分子，或者说，按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团，制造具有特定功能的产品。持乐观态度的科学家，如斯坦福大学的K.Eric Drexler曾预测，在2010年到2020年间，可能实现一个原子存储一位计算机信息。

据《新科学家》杂志报道，日本日立公司1993年12月份宣布，已制成在室温下工作的单电子存储芯片，而且是一种非丢失性存储器。和现有的存储芯片相比，同样存储1比特信息，新存储器的功耗只是前者的百万分之一，面积为前者的万分之一。

纳米技术革命的基本特征，是以完美的控制和离散方式（原子和分子）快速排布原子的结构，从而产生物质处理技术的革命。纳米技术革命本质上是更深层次的信息革命。

采用分子器件制作的全新的“纳米计算机”其数字逻辑图象可以建立在比90年代计算机小得多的尺度基础上，而且速度更快，效率更高。如果说，90年代计算机芯片的大小有如一幅巨大的风景画，那么纳米计算机就像画中的单个建筑物。

5、微米/纳米技术具有鲜明的军民两用性和前沿性

微米/纳米技术作为面向世纪重要的军民两用技术，将深刻影响国民经济和国防科学技术的发展。美、英、日等国高度重视发展微米/纳米技术。美国国家关键技术计划把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都是至关重要的技术”。美国国家基金会把微米/纳米技术列为优先支持的项目。

1993年美国航宇公司组织了20余位航天、电子等领域的专家，对微米/纳米技术在航空航天领域的应用进行了广泛的讨论，并发表了《革命性低成本航天系统“纳米卫星”的概念》文集。

前面已经介绍的美国国防部高级研究计划局（ARPA）制订的MEMS发展计划，一直在采用与制造微电子器件相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元件和集成微电子技术的优势，设计和制造新型机电装置。ARPA正在以下方面推进的发展与应用：

个人导航所需的小型惯性测量装置，大容量数据存储器件，小型分析仪器，非侵入式医疗传感器，光纤网络开关，以及环境与安全监视用的分布式自动传感器等。

ARPA支持开发了一种运动探测部件，它是具有一定灵敏度和稳定性的个人惯性定位装置所必需的。扩充现有的系统，以MEMS为基础的惯性跟踪器可以提供个人定位信息。ARPA的另一个项目已演示了一种以MEMS为基础制造的加速度计，能承受火炮发射炮弹所产生的近10⁵g的加速度。

有了这种加速度计，就可以为目前的非制导弹药提供一种经济的制导系统，从而使这种武器减少了采购和后勤维护费用。ARPA还支持对国内商业和学术研究用户建立定期的、共享的MEMS制造服务。这种服务可以让几百个研究和工业用户节省费用和快速制造装置。

主要的民用领域是医学、电子工业和航空航天。例如，将来可制造出静电驱动的微型电机，用来控制计算机及通信系统。在环境、医学及机构应用中，微型传感器可用来测量各种化学物质的流量、压力及浓度，美国现已研制出可进入人体直肠的MEMS。

MEMS技术的发展激励着人们寻求MEMS在军事技术中的应用，包括现实的和富于幻想的军事应用。在美国国防部、空军和陆军的赞助下，RAND公司在1993年完成了《微型机电系统的军事应用》研究报告，探索了微型机电系统的潜在军事应用。报告设想的微型机电系统的军事应用是：

有害化学战剂报警传感器 在特定的微机电系统上加一块计算机芯片（售价20美元），就可以构成袖珍式质谱仪，在化学战环境中用来检测气体。目前使用的质谱仪，一台的价值为17000美元，重68公斤以上。

敌我识别 目前的敌我识别系统是采用反射带、有源信标或应答器，这些设备很容易被侦听或截获。而微型机电系统则散布于飞机蒙皮上，或车辆的外表面，能以较低的功率自动对询问信号作出回答。

灵巧蒙皮 利用微机电系统可以做成具有可程序控制乃至动态可调特性的材料。例如，可以制作灵巧的潜艇蒙皮，它能立刻确定当时的速度并且命令中央计算机进行精密操纵调整，从而将噪声减至最小。

分布式战场传感器网络 用无人驾驶飞机将微机电系统探测器散布在战场的广阔地域，同时确定每个探测器的位置并进行询问，把各个探测器给出的编码数据储存起来，将结果传送给作战指挥官。应用微型计算机技术使探测器和灵巧武器掌握敌方目标的方位和特征，并能接收远处指挥官的指令。这种微机电探测器网络可以对敌坦克和步兵构成威胁。

微机器人电子失能系统 微机器人电子失能系统相当灵活，能以相当精确的方式布设，它能“感觉”敌方电子系统的位置，进而渗进该系统，使之丧失功能。

昆虫平台 将微机器人电子失能系统预先植入昆虫的神经系统，控制它们飞向敌方目标搜索情报，也可以利用这些昆虫使目标丧失功能或杀伤士兵。

50年代末，诺贝尔物理学奖获得者R.Feynman曾指出“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？”今天，科学家已实现了对单个原子的操纵，不仅有可能创造先进的数字计算机，而且利用纳米材料的性能可以实现具有特殊功能的仪器。

虽然制造具有特定功能的产品尚待时日，但开发应用前景十分诱人，国际性的竞争已经展开。

日本认识到纳米技术在商业、军事和医学方面和长远潜力，已建成第一个分子装配器。这个国家不邀请外国科研人员参与这项实际工作。欧洲有关纳米技术的一项计划已在法国的一个实验室开始起步。为了保持欧洲的竞争能力，这项计划同样是保密的。

日本的第二代分子装配器已开始产出少量的分子装置。商业上可用的产品样品己有传感器、分子电子装置和科学仪器。已有一项长期计划的蓝图，目的是使未来羽毛丰满的分子制造能以相当低的价格用普通材料做出任何产品。

分子制造所具有的明显的军事潜力，刺激了军事兴趣，因而刺激了秘密的研究与发展计划。美国开发微米/纳米技术的经费中有一半左右来自国防部系统。战略家们在他们的头脑里、杂志中和计算机上，针对纳米技术对国家安全的影响进行作战模拟（wargame）。他们关注分子制造及其潜在产品的军事影响，认为有许多理由来推动纳米技术保密的军事应用研究计划。

微米/纳米技术是一项新技术，是面向21世纪的重要的军民两用技术，它的出现无疑将深刻影响国民经济和国防科学技术的未来发展，所以是整个国家科技发展战略应研究的重要课题。

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