1995年，時任國防科工委主任、中國工程院院士、中國人民解放軍上將丁衡高在《中國慣性技術學報》、《儀器儀表學報》等期刊上，發表題為《面向21世紀的軍民兩用技術——微米/納米技術》的文章，這是最早倡導國家發展微米納米技術的內容之一。丁衡高院士是我國僅有的兩位“院士上將”之一，是國家微米納米技術倡導人，對推動我國MEMS技術等微納技術的發展和戰略制定，起到重要作用。

本文來自該內容，主要介紹了微型機電系統（MEMS）、專用集成微型儀器、小型微型和“納米衛星”、納米技術等應用前景和當時各國發展情況。文中指出，在80年代日本就每年投資1.5~2億美元發展MEMS，日本不邀請外國科研人員參與這項實際工作；美國將“微米級和納米級制造”寫入《美國國家關鍵技術》，并重視MEMS共性基礎的建設，以及教育與商業普及，

文中不少設想，如今已經實現，譬如MEMS傳感器在信息系統中的廣泛使用，以MEMS技術制造的“納米衛星”實現近地通信——如馬斯克的“星鏈”計劃……

文中最后強調，以MEMS為主要應用的微米/納米技術，是面向21世紀的重要的軍民兩用技術，它的出現無疑將深刻影響國民經濟和國防科學技術的未來發展，所以是整個國家科技發展戰略應研究的重要課題。

專家檔案

丁衡高，慣性技術和精密儀器專家，中國人民解放軍上將，中國工程院院士。1952年畢業于東南大學機械系（現機械工程學院）。歷任國防科工委主任，中國工程院主席團成員，中國宇航學會名譽理事長…等職位。丁衡高是我國戰略導彈慣性技術奠基人之一，我國慣性技術學科發展的主要推動者，國家微米納米技術倡導人。長期從事制導武器的陀螺儀、加速度計、慣性平臺系統等的研制工作。

自微電子技術問世以來，人們不斷追求越來越小、越來越完善的微小尺度結構的裝置，并對生物、環境控制、醫學、航空、航天、精確制導彈藥、靈巧武器、先進情報傳感器以及數字通信等領域，不斷提出微小型化方面的更新更高的要求。

按照一種習慣的劃分，裝置尺度在 1（10 ? 3米）~10毫米范圍的稱微小型（mini-）機械；在1微米（10 ? ?米）~1 毫米范圍的稱微型（micro-）機械；在1納米（10 ? ?米，或10埃）~1微米范圍的稱納米（nano-）機械。

用于制造上述尺度結構的工具有兩類：分子處理工具和批量加工工具。化學家和分子生物學家采用越來越精良的分子處理工具來制造和處理精細的分子結構（如蛋白質）。

借助于掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）和原子力顯微鏡（atomicforce microscope，AFM），物理學家把化學和分子生物學的處理方法結合起來，開辟了從專用集成電路（application specific integrated circuits，ASIC），到微型機電系統（microelectron-mechanical systems，MEMS），到專用集成微型儀器（application specific integrated microinstrument，ASIM），再到納米技術（nanotechnology）的開發批量加工工具的技術。這一系列技術可以概括為微米納米技術（micro-/nanotechnology）。

當前，微米/納米技術在國際上已初露頭角，它使人類在改造自然方面進入一個新的層次，即從微米層次深入到原子、分子級的納米層次。正像產業革命、抗菌素、核能以及微電子技術的出現和應用所產生的巨大影響一樣，納米技術將開發物質潛在的信息和結構潛力，使單位體積物質儲存和處理信息的能力實現又一次飛躍，在信息、材料、生物、醫療等方面導致人類認識和改造世界能力的重大突破，從而給國民經濟和軍事能力帶來深遠的影響。

微米/納米技術作為本世紀出現的高技術，發展十分迅猛，并由此開創了納米電子學、納米材料學、納米生物學、納米機械學、納米制造學、納米顯微學及納米測量等等新的高技術群。如同當代高新技術都往往具有軍民兩用性一樣，納米技術也是面向世紀的一項重要兩用技術，有著廣闊的軍民兩用前景。

微米納米技術民用和軍用方面已開發出的一些成果和許多可能的應用是吸引人的。美、日、西歐等國家均投入相當的人力和財力進行開發。目前，微米納米技術在軍事應用方面的工作主要集中在微型機電系統（MEMS）和專用集成微型儀器，對納米衛星也進行了論證和探索。這些都很值得我們重視。

1、微型機電系統（MEMS）

在過去35年電子革命的過程中，微電子技術的產生和發展使門電路的尺度不斷縮小，使得手持蜂窩式移動電話、地球低軌道上重僅10公斤的電子新聞廣播系統，以及可以與70年代大型計算機相匹敵的個人計算機成為現實。這一切以及90年代其他電子奇跡的關鍵，都在于靈活的批量加工工藝，它可以使數以百萬計的靈巧的微小型零部件能夠同時制造。數兆位的存儲器芯片、微處理器以及射頻分系統，已取代門電路成為主要的部件。

10年前，人們在意識到用半導體批量制造技術可以生產許多宏觀機械系統的微米尺度的樣機后，就在小型機械制造領域開始了一場類似的革命。這就導致了微型機電系統（MEMS）的出現，如微米尺度的壓力傳感器、加速度傳感器、化學傳感器和各種閥門等。

微米級制造包括尺寸小于1微米材料的制造和使用。微米級制造工藝包括光刻、刻蝕、淀積、外延生長、擴散、離子注入、測試、監測及封裝。納米級結構的尺寸范圍為10~100納米或更小。納米級制造包括微米級制造中的一些技術（如離子束光刻），但也包括為了利用材料的本質特性以期獲得理想的結果而對材料進行原子量級的修改及排列的技術。

1991年3月22日，美國國家關鍵技術委員會向美國總統提交了《美國國家關鍵技術》報告。其中，第8項為“微米級和納米級制造”。報告指出，“微米級和納米級制造涉及顯微量級（微米級制造）和原子量級（納米級制造）的材料及器件的制造和使用”；“對先進的納米級技術的研究也可能導致納米級機械裝置及傳感器的生產”；“微米級和納米級技術的發展已使人們能開發出一類新的顯微量級尺寸的器件。這些器件能在諸如環境控制、醫學等不同的領域工作。它們的低成本及比現有器件高的靈敏度可能使許多領域會有突破”。

美國發展微型機電系統關鍵性的研究中心基本上都分布在各個大學，如康奈爾大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校、密執安大學及威斯康星大學等。美國國防部高級研究計劃局重視并積極贊助MEMS的國防應用，現已建立了一條MEMS標準工藝線來促進新型裝置的迅速開發和小批量生產。

加州大學伯克利分校和美國其他研究所，已在微電子技術的基礎上用微米加工方法制作出微小齒輪和微型電機。日本和德國也在積極推進微型機械加工技術。德國還研制出一種稱之為LIGA的微結構成形工藝。利用LIGA工藝的微型產品大大改善了MEMS的現狀，使MEMS向實用化跨出了一大步。

目前，MEMS已從實驗室探索走向工業應用，并正在迅速發展。已研制成一些引人注目的器件，其中許多幾乎是肉眼看不見的，這些新型器件包括回轉式電機、線性執行機構、加速度計、諧振器、傳動裝置、操縱桿之類的工具以及其他各式各樣的部件。

迄今為止，傳感器已經表明極具商業應用的希望，可用于加速度計，慣性制導系統，化學傳感器等。

在80年代，發達國家就注重發展MEMS。據介紹，日本每年投資1.5~2億美元用于發展這一技術。在這方面，美國也不甘落后，美國國防部高級研究計劃局（ARPA）制定了一項將MEMS技術從實驗室進入軍事應用的三年計劃，并撥出2400萬美元支持這一計劃。

據文獻提供的信息，美國Draper實驗室在1991年研制出一種慣性測量元件（IMU）樣機，尺度為2厘米 X 2厘米 X 0.5厘米，重5克，陀螺漂移誤差為10度/小時或更小。Draper實驗室當前的努力目標是：1~10度/小時，并瞄準0.5度/小時的新目標。專家們深信還可以達到0.1~0.01度/小時的精度。重約10克，精度1度/小時，價格10美元的慣性測量元件將會有巨大的商業市場。

2、專用集成微型儀器（ASIM）

“微米/納米技術”一詞的含義，包括了從亞毫米到亞微米范圍內的材料、工藝和裝置的綜合集成。微米技術專家已成功應用的芯片制造技術——這是近幾十年來實現微小型化的主要途徑——在“納米”技術的開發中起著重要的支持作用。

微米/納米技術的實際應用便是微型工程（microengineering）。微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度結構的傳感器和作動器的設計、材料合成、微型機械加工、裝配、總成和封裝問題。利用這項技術可以把傳感器、作動器以及信號和數據處理裝置集成在一塊普通的基片上。

微型機電系統（MEMS）與微電子技術的綜合集成，導致了專用集成微型儀器（ASIM）概念的出現。ASIM的制造，是從半導體工藝即專用集成電路（ASIC）技術和MEMS技術發展而來的。具有亞微米特點的專用集成微型儀器會使亞毫米器件降低研制與試驗費用、縮小體積、減輕重量，同時還可以降低對電源和溫控的要求，降低對振動的敏感性和通過冗余提高可靠性。

同ASIC一樣，ASIM可以用微電子工藝技術的方法批量制造。但是ASIM比ASIC更為復雜，因為它既有固定的部件又有活動的部件，而且采用諸如生物或化學活化劑之類的特殊材料。確切地說，ASIM是一種高水平的微型器件。這種器件把幾種微機電系統組裝在一塊硅基片上，或者說就如同一個有許多基片模塊的組件，這就是一個高度復雜的分系統。

目前正開發中的的原型已可以探測出局部地區和遙遠地區的環境。信息可以通過基片上的通信系統傳送到相鄰的微型儀器，或傳送到中央處理機。

ASIM將代替現有航天器和各級運載火箭上目前使用的分系統，然后再發展成為獨特的空間系統結構。ASIM將在航天器和航天系統技術方面引起一場革命，出現超小型衛星系統，最終實現“納米衛星”。

ASIM現已進入商業市場，如壓力傳感器、（汽車）氣袋控制器。美國航宇局已著手實施一項低費用（不足1億美元）的“發現號”微型衛星計劃。霍普金斯大學、洛斯·阿拉莫斯國家實驗室和過去從事“戰略防御計劃”（SDI）的一些部門也正積極考慮小型衛星的研制任務。

鑒于許多商業應用的需要，微型機電系統和專用集成微型儀器標準加工工藝線正在發展，它可用以生產可靠、低成本的航天系統用的專用集成微型儀器。

3、小型、微型和“納米衛星”

專用集成微型儀器技術能應用于小型衛星的一些單個功能部件，導致各種超小型衛星分系統的出現。下一步就是不可避免的在航天系統中使用專用集成微型儀器。預計在5~10年內能得到適合于航天應用的MEMS。

于是，就有了小型、微型和“納米衛星”的概念。

小型衛星（minisatellite）：能用小型運載火箭發射的常規設計的航天器；重量范圍約為10~500公斤。

微型衛星（microsatellite）：在所有的系統和分系統中全部體現微型制造技術成果并能執行衛星應有的功能；重量范圍約為0.1~10公斤。

“納米衛星”（nanasatellite），依靠一種分布式的體系結構完成自身功能，并將尺度減至最小可能的微型衛星。重量范圍約小于0.1公斤。以硅或其他半導體為襯底的專用集成微型儀器，能應用于制導、導航、控制、姿態控制、熱控制、推進、能源和通信等航天器系統。

美國一些公司已在研究在芯片上制造衛星的方案，并得到了宇航局“小企業創新研究”合同的支持。

“納米衛星”代表了衛星發展、構型和運行體系結構的一種新模式。當某種設計方案經過飛行試驗驗證之后，使用單一半導體標準工藝線就可制造出成批的復制品。這就使得低成本地研制和試驗新衛星，低成本地制造衛星，以及增加可靠性和靈活性成為可能。相比之下，常規衛星由成百上千個分立部件組裝而成，而這些部件又是由許多制造點生產的。

“納米衛星”概念的出現，使分布式航天體系結構成為可能。這種體系結構相對免除了單個航天器失效的影響，這將導致增加未來航天系統的生存力和靈活性。

一種簡單的“納米衛星”可以由外表面帶有太陽能電池和天線的、在硅基片上堆砌的專用集成微型儀器組成?！凹{米衛星”也代表了衛星利用方式轉變的一個范例。

“納米衛星”最好的應用是布設成局部星團和分布式星座。如果在太陽同步軌道施放“納米衛星”，在18個等間隔的軌道面上，每個軌道面上等間隔施放36顆“納米衛星”，一共648顆這樣的衛星就可以保證在任何時刻，對地球上任何一點的連續覆蓋?！凹{米衛星”可以大批量生產，成本效益比一般的衛星好得多，從而保證同時使用幾百顆衛星。設想“納米衛星”可用于低地球軌道通信和地球觀測。

把微米/納米技術引入航天系統，需要材料、微電子制造、三維微型機械加工以及各種特殊的航天器分系統（結構、推進、溫度、導航、動力、通信）等不同領域專家的密切合作。

4、 納米技術

計算機工業一直不斷地追求超高集成度的芯片。當芯片線寬尺度進一步縮小時，在某個轉折點，也許是150~100納米處，也許是在更小的尺寸上，因量子力學效應的增強，將會遇到很大困難。但是，科學家仍然為克服這種困難，在不斷地探索，繼續把這門先進的新技術推向前進。

納米技術的實質在于，多少年來人們在不斷做出越來越小的裝置，直到趨近分子尺度。達到這個轉折點，人們不再能把裝置做得更小了，除非他們從分子開始，即在裝配器中對分子進行裝配。

根據分子工程（molecular engineering）的概念，人們現在可以按照需要對物質從分子水平上構筑；分子工程有理論，即量子力學；也有分析計算的手段，即基于概率論的多座標復雜偏微分方程計算機求解方法；還有可視化的研究工具：體現“靈境”（virtual reality）的仿真。

數字電子技術的基本特征，是以完美的控制和離散方式快速處理信息，從而產生信息革命。信息革命的核心是信息屬性勞動資料的創造，如能處理任何離散形式信息的可編程數字計算機。

今天，又出現了納米技術。納米技術的核心是裝配分子，或者說，按人們的意志直接操縱單個原子、分子或原子團、分子團，制造具有特定功能的產品。持樂觀態度的科學家，如斯坦福大學的K.Eric Drexler曾預測，在2010年到2020年間，可能實現一個原子存儲一位計算機信息。

據《新科學家》雜志報道，日本日立公司1993年12月份宣布，已制成在室溫下工作的單電子存儲芯片，而且是一種非丟失性存儲器。和現有的存儲芯片相比，同樣存儲1比特信息，新存儲器的功耗只是前者的百萬分之一，面積為前者的萬分之一。

納米技術革命的基本特征，是以完美的控制和離散方式（原子和分子）快速排布原子的結構，從而產生物質處理技術的革命。納米技術革命本質上是更深層次的信息革命。

采用分子器件制作的全新的“納米計算機”其數字邏輯圖象可以建立在比90年代計算機小得多的尺度基礎上，而且速度更快，效率更高。如果說，90年代計算機芯片的大小有如一幅巨大的風景畫，那么納米計算機就像畫中的單個建筑物。

5、微米/納米技術具有鮮明的軍民兩用性和前沿性

微米/納米技術作為面向世紀重要的軍民兩用技術，將深刻影響國民經濟和國防科學技術的發展。美、英、日等國高度重視發展微米/納米技術。美國國家關鍵技術計劃把“微米級和納米級制造”列為“在經濟繁榮和國防安全兩方面都是至關重要的技術”。美國國家基金會把微米/納米技術列為優先支持的項目。

1993年美國航宇公司組織了20余位航天、電子等領域的專家，對微米/納米技術在航空航天領域的應用進行了廣泛的討論，并發表了《革命性低成本航天系統“納米衛星”的概念》文集。

前面已經介紹的美國國防部高級研究計劃局（ARPA）制訂的MEMS發展計劃，一直在采用與制造微電子器件相同的工藝和材料，充分發揮小型化、多元件和集成微電子技術的優勢，設計和制造新型機電裝置。ARPA正在以下方面推進的發展與應用：

個人導航所需的小型慣性測量裝置，大容量數據存儲器件，小型分析儀器，非侵入式醫療傳感器，光纖網絡開關，以及環境與安全監視用的分布式自動傳感器等。

ARPA支持開發了一種運動探測部件，它是具有一定靈敏度和穩定性的個人慣性定位裝置所必需的。擴充現有的系統，以MEMS為基礎的慣性跟蹤器可以提供個人定位信息。ARPA的另一個項目已演示了一種以MEMS為基礎制造的加速度計，能承受火炮發射炮彈所產生的近10?g的加速度。

有了這種加速度計，就可以為目前的非制導彈藥提供一種經濟的制導系統，從而使這種武器減少了采購和后勤維護費用。ARPA還支持對國內商業和學術研究用戶建立定期的、共享的MEMS制造服務。這種服務可以讓幾百個研究和工業用戶節省費用和快速制造裝置。

主要的民用領域是醫學、電子工業和航空航天。例如，將來可制造出靜電驅動的微型電機，用來控制計算機及通信系統。在環境、醫學及機構應用中，微型傳感器可用來測量各種化學物質的流量、壓力及濃度，美國現已研制出可進入人體直腸的MEMS。

MEMS技術的發展激勵著人們尋求MEMS在軍事技術中的應用，包括現實的和富于幻想的軍事應用。在美國國防部、空軍和陸軍的贊助下，RAND公司在1993年完成了《微型機電系統的軍事應用》研究報告，探索了微型機電系統的潛在軍事應用。報告設想的微型機電系統的軍事應用是：

有害化學戰劑報警傳感器在特定的微機電系統上加一塊計算機芯片（售價20美元），就可以構成袖珍式質譜儀，在化學戰環境中用來檢測氣體。目前使用的質譜儀，一臺的價值為17000美元，重68公斤以上。

敵我識別 目前的敵我識別系統是采用反射帶、有源信標或應答器，這些設備很容易被偵聽或截獲。而微型機電系統則散布于飛機蒙皮上，或車輛的外表面，能以較低的功率自動對詢問信號作出回答。

靈巧蒙皮 利用微機電系統可以做成具有可程序控制乃至動態可調特性的材料。例如，可以制作靈巧的潛艇蒙皮，它能立刻確定當時的速度并且命令中央計算機進行精密操縱調整，從而將噪聲減至最小。

分布式戰場傳感器網絡 用無人駕駛飛機將微機電系統探測器散布在戰場的廣闊地域，同時確定每個探測器的位置并進行詢問，把各個探測器給出的編碼數據儲存起來，將結果傳送給作戰指揮官。應用微型計算機技術使探測器和靈巧武器掌握敵方目標的方位和特征，并能接收遠處指揮官的指令。這種微機電探測器網絡可以對敵坦克和步兵構成威脅。

微機器人電子失能系統 微機器人電子失能系統相當靈活，能以相當精確的方式布設，它能“感覺”敵方電子系統的位置，進而滲進該系統，使之喪失功能。

昆蟲平臺 將微機器人電子失能系統預先植入昆蟲的神經系統，控制它們飛向敵方目標搜索情報，也可以利用這些昆蟲使目標喪失功能或殺傷士兵。

50年代末，諾貝爾物理學獎獲得者R.Feynman曾指出“如果有一天可以按人們的意志安排一個個原子，那將會產生怎樣的奇跡？”今天，科學家已實現了對單個原子的操縱，不僅有可能創造先進的數字計算機，而且利用納米材料的性能可以實現具有特殊功能的儀器。

雖然制造具有特定功能的產品尚待時日，但開發應用前景十分誘人，國際性的競爭已經展開。

日本認識到納米技術在商業、軍事和醫學方面和長遠潛力，已建成第一個分子裝配器。這個國家不邀請外國科研人員參與這項實際工作。歐洲有關納米技術的一項計劃已在法國的一個實驗室開始起步。為了保持歐洲的競爭能力，這項計劃同樣是保密的。

日本的第二代分子裝配器已開始產出少量的分子裝置。商業上可用的產品樣品己有傳感器、分子電子裝置和科學儀器。已有一項長期計劃的藍圖，目的是使未來羽毛豐滿的分子制造能以相當低的價格用普通材料做出任何產品。

分子制造所具有的明顯的軍事潛力，刺激了軍事興趣，因而刺激了秘密的研究與發展計劃。美國開發微米/納米技術的經費中有一半左右來自國防部系統。戰略家們在他們的頭腦里、雜志中和計算機上，針對納米技術對國家安全的影響進行作戰模擬（wargame）。他們關注分子制造及其潛在產品的軍事影響，認為有許多理由來推動納米技術保密的軍事應用研究計劃。

微米/納米技術是一項新技術，是面向21世紀的重要的軍民兩用技術，它的出現無疑將深刻影響國民經濟和國防科學技術的未來發展，所以是整個國家科技發展戰略應研究的重要課題。

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審核編輯黃宇