硅基MEMS标准体系研究
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关键词 硅基 MEMS 标准化 标准体系
1 引言 MEMS （ micro electro mechanical systems， 微 机 电 系 统 ） 或 称 微 机 械 （Micromachine， 日 本 惯 用词） 或称微系统技术 （ Microsystems Technology， 欧 洲 惯 用词） 是指运用半导体工艺以及其他 先进工艺技术制作的， 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 微型器件或微型系统 。 硅基 MEMS 是 指以硅为基本材料， 运用集成电路技 术制造微机电器件、 装置或系统的技 术及产品的统称。 MEMS 起 源 于 上 个 世 纪 60 年 代 的集成电路技术， 在 80 年代伯利克大 学运用表面牺牲层技术加工出静电微 电机， 标志着 MEMS 时代到来， 并使 得 MEMS 器件成为可能。 如今 MEMS 技术和器件已经在许多领域得到广泛 的应 用 ， 如 航 天 工 业 中 使 用 的 MEMS 惯性传感器、 汽车安全气囊中使用的 微加速度传感器、 医疗器械中使用的 微 型 支 架 等 。 同 时 ， MEMS 技 术 的 发 展 ， 也 促 进 了 MEMS 产 业 的 快 速 发 展， 给全球带来了巨大的经济效益。 据 著 名 的 国 际 MEMS 咨 询 机 构 Yole 公 司 分 析 预 测 2010 年 全 球 基 于 硅 和
本上避免我国硅基 MEMS 标准发展无 序状态的出现。 因此， 硅基 MEMS 标 准体系的研究在硅基 MEMS 标准化工 作中有着至关重要的作用。
（收稿日期： 2009-10-08）
2009 / 11·机械工业标准化与质量 511
硅基 MEMS 标准体 系研究
■ 机械科学研究总院 中机生产力促进中心 刘 伟 丁红宇
摘 要 本文 介绍 了硅 基 MEMS 标 准化 国内 外发 展状 况 ， 阐 述了 硅基 MEMS 标准 体系 在我 国硅 基 MEMS 标准化工作的中的意义， 并说明了我国硅基 MEMS 标准体系框架的构成以及未来的标准研究内容。
石英器件的 MEMS 市场将达到 100 亿 美 元 ； SEMI 发 表 的 “全 球 微 机 电 /系 统市场和商机” 研究报告中指出， MEMS 产 业 总 规 模 在 2010 年 可 望 达 到 950 亿美 元， 核 心 微 机 电 组 件 产 业 规模在 2010 年可 达到 99 亿美 元； 在 “2008 年中 国 MEMS 器 件市 场发 展趋 势 及 2012 年 前 景 预 测 研 究 报 告 ” 中 指 出 全 球 MEMS 市 场 从 2001 年 至 2010 年 将 保 持 12.3% 的 年 复 合 增 长 率。
and
Materials
International， 国际半导体设备与 材料
协会） 制定大量硅材料规范和硅材料
性 能 测 试 标 准 ； IEC （ International
Electrotechnica l Commission， 国 际
注： 本论文为国家高技术研究发展计划 （项目编号 2007AA04Z354） 研究成果。
展规划》 工作， 并在 《微系统技术标
准化发展规划》 中对硅材料、 硅基加
工工艺等进行了详细规划。
国外在硅基 MEMS 标准化研究与
应用上也取得了许多成果。 如美国的
MCNC、 ADI、 SANDIA 国家实验室均
将其研究成熟的工艺作为标准对外发
布 ； SEMI （ Semiconductor
Equipment
2009 / 11·机械工业标准化与质量 4191
研讨园地
电工委员会） 分别制定了与材料、 器 件相关的硅基 MEMS 标准。
随 着 MEMS 标 准 化 的 不 断 深 入 ， 国外一些地区和国家的标准化组织、 企业也在开始寻求相互之间的标准化 合作与协调 ， 使硅基 MEMS 标准化更 具系 统性 与 协 调 性 ， 如 SEMI 同 IEEE 达成协议， 相互支持对方的项目， SEMI 将 着 眼 于 材 料 方 面 的 标 准 制 定 ， 而 IEEE 标准将侧重于测试方法、 器件 等方面。
3） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 建 立 可 以使标准研究与制定者清晰分析出不 同时期和阶段的工作重点。
4） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 的 建 立 可 以避 免 不 适 当 的 标 准 对 硅 基 MEMS 技术发展和企业竞争的制约， 促进企 业在先进技术的开发与应用。
（2） 硅基 MEMS 标准体系框架 根 据 硅 基 MEMS 技 术 发 展 状 况 ， 并结合国外硅基 MEMS 标准化研究方 向， 我们总结归纳出了硅基 MEMS 标 准体系基本结构框架， 框架图见图 1： 1） 硅基 MEMS 材料标准 硅基 MEMS 材料标准包括材料规 范、 材料特征性能测试规范两个部分。 材料规范主要研究用于硅基 MEMS 加 工的成品材料， 其中包括材料的几何 结构规范、 表面性能规范等； 材料特 征性能测试规范则主要针对材料性能 （力学性能、 电学性能、 化学性能等） 的标准测试方法的研究。 2） 硅基 MEMS 设计规范 硅基 MEMS 设计规范包括加工工 艺设计规范、 接口设计规范、 封装设
面的标准。 4 结束语 回顾全文我们可以知道二十一世
纪是 MEMS 技术和产化蓬勃发展的时
期， 也是我国 MEMS 技术得到长足发 展的一个时期 ， 而我国 MEMS 产业化 在这一时期也是充满机遇与挑战。 硅 基 MEMS 标准化工作会在很大程度上 促进我国硅基 MEMS 技术的应用 ， 提
高我国硅基 MEMS 产业同国外的竞争 力 。 硅 基 MEMS 标 准 体 系 是 对 硅 基 MEMS 标 准 化 发 展 的 一 个 长 期 规 划 ， 为我Hale Waihona Puke Baidu硅基 MEMS 标准化发展指明方 向， 同时标准体系的建立也可以从根
标准由检测要素、 综合检测标准构成。 专用检测技术标准主要研究工艺检测 标准 （如牺牲层工艺参数及指标评定 规范， 这一类工艺参数及评定的标
准）、 器件检测标准 （如器件可靠性评 定）、 系统检测标准 （主要研究硅基 MEMS 系 统 可 靠 性 和 安 全 性 评 定 标 准， 如微型清洁器测试标准） 三个方
标准化组织都在进行 MEMS 标准化工
作 ， 并 将 硅 基 MEMS 作 为 主 要 部 分 ，
如 2001 年 ， 欧 盟 正 式 启 动 了
MEMSTANSD （ Standardization for
Microsystems， 微系统标准化） 专项，
系统性地开展了 《微系统技术标准化
调查分析》 和 《微系统技术标准化发
150 机械工业标准化与质量·2009 / 11
3 我国 硅基 MEMS 标准 体系 构 建
（1） 我国硅基 MEMS 标准体系的 意义
硅基 MEMS 标准体系是从整体的 角度去理解和研究硅基 MEMS 标准内 在的各部分本质的、 必然的联系， 是 对硅基 MEMS 标准化宏观的规划。 因 此， 它对硅基 MEMS 标准化工作有着 至关重要的作用和意义：
（2） 国内硅基 MEMS 标准化现状 国内硅基 MEMS 技术研究起步于 90 年代初 ， 目前也正在向产业化道路 迈进， 已涌现出一批隐性标准成果： 如北京大学微电子研究院在总结大量 器件微结构特征和硅 MEMS 工艺能力 的 研究 基础 上 开 发 了 四 套 硅 基 MEMS 标准工艺， 标准工艺模块和设计规则 已开始发布， 并且有多家研究单位和 利用这些标准工艺实现了自己设计； 中国科学院上海微系统所在微机械加 工技术平台上开发了两套 MEMS 器件 的加工规范及平台的关键工艺规范， 同时在封装技术平台上建立了圆片级 气密封规范和三维圆片级气密封组合 工艺规范； 中国电子集团十三所在 “十·五” 期间对稳定 MEMS 工艺条件 以及标准化进行了初步研究， 并开发 了体硅溶片、 正面体硅、 SOI 等多套硅 基 MEMS 加工工艺， 同时， 十三所是 全国半导体器件标准化技术委员会的 归口单位， 制定了大量的国家标准， 具有丰富的 IC 领域标准化工作经验。 目前， 我国 MEMS 标准化工作已 得到重视， “全国微机电技术标准化技 术委员 会” 已 于 2008 年 11 月正 式成 立， 系统性地统筹和规划工作已经展开。 863 计划 《硅基 MEMS 制造技术标准研 究 》 课 题 也 于 2007 年 立 项 ， 《 硅 基 MEMS 制造技术标准体系》 以及 《硅基 MEMS 制造技术版图设计基本规则》 等 四项国家标准的研究正在深入开展。
1） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 的 建 立 确 定 了 硅 基 MEMS 标 准 化 的 具 体 方 向， 可以避免标准研究与制定工作的 盲目性与随意性。
2） 硅基 MEMS 标准体系清晰展现 了硅基 MEMS 标准各部分之间的关系， 保证了标准之间的协调性、 系统性和配 套性， 从而也可以避免由于重复、 交叉 而造成的标准内容矛盾和资源浪费。
计规范、 器件选用规范、 计算机辅助 技术规范。 加工工艺设计规范主要研 究标准工艺选用规范、 工艺设计准则、 工艺设计符号、 术语等标准的制定， 如硅基 MEMS 版图设计基本规则 。 接 口设计规范包括器件标准接口、 模块 标准接口、 输入/输出规格、 标准接口 语言及符号等方面的标准。 封装设计 规范包括封装材料选用规范、 标准封 装模块化设计规范等方面的标准。 器 件选用规范主要研究标准元件选用标 准的制定。 计算机辅助设计技术规范 则是集中于标准材料数据库、 标准元 件库、 建模语言规范、 可交互数据规 范等方面的标准制定。
2 国 内 外 硅 基 MEMS 标 准 化
现状
（1） 国外硅基 MEMS 标准化现状
国外在上个世纪末就开始了硅基
MEMS 标 准 化 研 究 和 尝 试 ， 如 美 国 在
上个世纪八十年代末就已经将表面牺
牲 层 工 艺 标 准 化 。 现 在 ， MEMS 标 准
化已成为国际共识， 许多发达国家和
3） 硅基 MEMS 加工工艺规范 硅基 MEMS 加工工艺规范包括基 础工艺标准、 工艺典型化标准、 工艺 装备标准。 基础工艺标准包括基础工 艺的工艺技术通则、 工艺参数及性能 评定方法等方面的标准。 典型工艺标 准包括典型工艺的工艺技术通则、 加 工方法、 工艺流程技术等技术通则， 如体硅溶片加工工艺规范。 工艺装备 标准包括通用工艺装备规范、 专用工 艺装备规范。 4） 硅基 MEMS 封装技术标准 封装技术标准包括通用标准封装 规范、 特殊应用封装规范。 通用标准 封装规范主要包括通用封装材料标准、 基础封装工艺技术通则、 通用封装工 艺参数及性能评定方法标准。 特殊应 用封装规范则是包括专用封装标准、 特殊工艺封装标准。 5） 硅基 MEMS 器件规范 器件规范由微传感器标准、 微致 动器标准、 微执行器标准三个部分组 成。 这三个部分标准分别包括通用标 准、 型式参数以及技术条件标准、 性 能测试标准。 6） 检测技术标准 检测技术标准包括通用检测技术 标准、 专用检测技术表准。 通用检测
硅 基 MEMS 技 术 是 MEMS 主 流 技术之一， 硅基 MEMS 产品在 MEMS 产业中占有很大比重。 硅基 MEMS 技 术日臻成熟， 已经从单纯的科研探索 阶段进入技术开发和应用阶段。 而依 据 标准 化 运 行 规 律 ， 开 展 硅 基 MEMS 标准化的时机已经成熟。 开展硅基 MEMS 标 准化 一 方 面 可 以 最 大 程 度 提 高现实的重复利用效益， 另一方面为 后续技术研发与大规模产业化奠定高 水准技术平台。 因此， 开展硅基 MEMS 标准 研究 与制 定是 促 进 MEMS 从研究走向应用、 实现产业化的关键 之一， 而且硅基 MEMS 标准化的开展 可以填补国内 MEMS 标准化空白， 并 有助于我国在未来的国际标准化活动 中取得主动权。
1 引言 MEMS （ micro electro mechanical systems， 微 机 电 系 统 ） 或 称 微 机 械 （Micromachine， 日 本 惯 用词） 或称微系统技术 （ Microsystems Technology， 欧 洲 惯 用词） 是指运用半导体工艺以及其他 先进工艺技术制作的， 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 微型器件或微型系统 。 硅基 MEMS 是 指以硅为基本材料， 运用集成电路技 术制造微机电器件、 装置或系统的技 术及产品的统称。 MEMS 起 源 于 上 个 世 纪 60 年 代 的集成电路技术， 在 80 年代伯利克大 学运用表面牺牲层技术加工出静电微 电机， 标志着 MEMS 时代到来， 并使 得 MEMS 器件成为可能。 如今 MEMS 技术和器件已经在许多领域得到广泛 的应 用 ， 如 航 天 工 业 中 使 用 的 MEMS 惯性传感器、 汽车安全气囊中使用的 微加速度传感器、 医疗器械中使用的 微 型 支 架 等 。 同 时 ， MEMS 技 术 的 发 展 ， 也 促 进 了 MEMS 产 业 的 快 速 发 展， 给全球带来了巨大的经济效益。 据 著 名 的 国 际 MEMS 咨 询 机 构 Yole 公 司 分 析 预 测 2010 年 全 球 基 于 硅 和
本上避免我国硅基 MEMS 标准发展无 序状态的出现。 因此， 硅基 MEMS 标 准体系的研究在硅基 MEMS 标准化工 作中有着至关重要的作用。
（收稿日期： 2009-10-08）
2009 / 11·机械工业标准化与质量 511
硅基 MEMS 标准体 系研究
■ 机械科学研究总院 中机生产力促进中心 刘 伟 丁红宇
摘 要 本文 介绍 了硅 基 MEMS 标 准化 国内 外发 展状 况 ， 阐 述了 硅基 MEMS 标准 体系 在我 国硅 基 MEMS 标准化工作的中的意义， 并说明了我国硅基 MEMS 标准体系框架的构成以及未来的标准研究内容。
石英器件的 MEMS 市场将达到 100 亿 美 元 ； SEMI 发 表 的 “全 球 微 机 电 /系 统市场和商机” 研究报告中指出， MEMS 产 业 总 规 模 在 2010 年 可 望 达 到 950 亿美 元， 核 心 微 机 电 组 件 产 业 规模在 2010 年可 达到 99 亿美 元； 在 “2008 年中 国 MEMS 器 件市 场发 展趋 势 及 2012 年 前 景 预 测 研 究 报 告 ” 中 指 出 全 球 MEMS 市 场 从 2001 年 至 2010 年 将 保 持 12.3% 的 年 复 合 增 长 率。
and
Materials
International， 国际半导体设备与 材料
协会） 制定大量硅材料规范和硅材料
性 能 测 试 标 准 ； IEC （ International
Electrotechnica l Commission， 国 际
注： 本论文为国家高技术研究发展计划 （项目编号 2007AA04Z354） 研究成果。
展规划》 工作， 并在 《微系统技术标
准化发展规划》 中对硅材料、 硅基加
工工艺等进行了详细规划。
国外在硅基 MEMS 标准化研究与
应用上也取得了许多成果。 如美国的
MCNC、 ADI、 SANDIA 国家实验室均
将其研究成熟的工艺作为标准对外发
布 ； SEMI （ Semiconductor
Equipment
2009 / 11·机械工业标准化与质量 4191
研讨园地
电工委员会） 分别制定了与材料、 器 件相关的硅基 MEMS 标准。
随 着 MEMS 标 准 化 的 不 断 深 入 ， 国外一些地区和国家的标准化组织、 企业也在开始寻求相互之间的标准化 合作与协调 ， 使硅基 MEMS 标准化更 具系 统性 与 协 调 性 ， 如 SEMI 同 IEEE 达成协议， 相互支持对方的项目， SEMI 将 着 眼 于 材 料 方 面 的 标 准 制 定 ， 而 IEEE 标准将侧重于测试方法、 器件 等方面。
3） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 建 立 可 以使标准研究与制定者清晰分析出不 同时期和阶段的工作重点。
4） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 的 建 立 可 以避 免 不 适 当 的 标 准 对 硅 基 MEMS 技术发展和企业竞争的制约， 促进企 业在先进技术的开发与应用。
（2） 硅基 MEMS 标准体系框架 根 据 硅 基 MEMS 技 术 发 展 状 况 ， 并结合国外硅基 MEMS 标准化研究方 向， 我们总结归纳出了硅基 MEMS 标 准体系基本结构框架， 框架图见图 1： 1） 硅基 MEMS 材料标准 硅基 MEMS 材料标准包括材料规 范、 材料特征性能测试规范两个部分。 材料规范主要研究用于硅基 MEMS 加 工的成品材料， 其中包括材料的几何 结构规范、 表面性能规范等； 材料特 征性能测试规范则主要针对材料性能 （力学性能、 电学性能、 化学性能等） 的标准测试方法的研究。 2） 硅基 MEMS 设计规范 硅基 MEMS 设计规范包括加工工 艺设计规范、 接口设计规范、 封装设
面的标准。 4 结束语 回顾全文我们可以知道二十一世
纪是 MEMS 技术和产化蓬勃发展的时
期， 也是我国 MEMS 技术得到长足发 展的一个时期 ， 而我国 MEMS 产业化 在这一时期也是充满机遇与挑战。 硅 基 MEMS 标准化工作会在很大程度上 促进我国硅基 MEMS 技术的应用 ， 提
高我国硅基 MEMS 产业同国外的竞争 力 。 硅 基 MEMS 标 准 体 系 是 对 硅 基 MEMS 标 准 化 发 展 的 一 个 长 期 规 划 ， 为我Hale Waihona Puke Baidu硅基 MEMS 标准化发展指明方 向， 同时标准体系的建立也可以从根
标准由检测要素、 综合检测标准构成。 专用检测技术标准主要研究工艺检测 标准 （如牺牲层工艺参数及指标评定 规范， 这一类工艺参数及评定的标
准）、 器件检测标准 （如器件可靠性评 定）、 系统检测标准 （主要研究硅基 MEMS 系 统 可 靠 性 和 安 全 性 评 定 标 准， 如微型清洁器测试标准） 三个方
标准化组织都在进行 MEMS 标准化工
作 ， 并 将 硅 基 MEMS 作 为 主 要 部 分 ，
如 2001 年 ， 欧 盟 正 式 启 动 了
MEMSTANSD （ Standardization for
Microsystems， 微系统标准化） 专项，
系统性地开展了 《微系统技术标准化
调查分析》 和 《微系统技术标准化发
150 机械工业标准化与质量·2009 / 11
3 我国 硅基 MEMS 标准 体系 构 建
（1） 我国硅基 MEMS 标准体系的 意义
硅基 MEMS 标准体系是从整体的 角度去理解和研究硅基 MEMS 标准内 在的各部分本质的、 必然的联系， 是 对硅基 MEMS 标准化宏观的规划。 因 此， 它对硅基 MEMS 标准化工作有着 至关重要的作用和意义：
（2） 国内硅基 MEMS 标准化现状 国内硅基 MEMS 技术研究起步于 90 年代初 ， 目前也正在向产业化道路 迈进， 已涌现出一批隐性标准成果： 如北京大学微电子研究院在总结大量 器件微结构特征和硅 MEMS 工艺能力 的 研究 基础 上 开 发 了 四 套 硅 基 MEMS 标准工艺， 标准工艺模块和设计规则 已开始发布， 并且有多家研究单位和 利用这些标准工艺实现了自己设计； 中国科学院上海微系统所在微机械加 工技术平台上开发了两套 MEMS 器件 的加工规范及平台的关键工艺规范， 同时在封装技术平台上建立了圆片级 气密封规范和三维圆片级气密封组合 工艺规范； 中国电子集团十三所在 “十·五” 期间对稳定 MEMS 工艺条件 以及标准化进行了初步研究， 并开发 了体硅溶片、 正面体硅、 SOI 等多套硅 基 MEMS 加工工艺， 同时， 十三所是 全国半导体器件标准化技术委员会的 归口单位， 制定了大量的国家标准， 具有丰富的 IC 领域标准化工作经验。 目前， 我国 MEMS 标准化工作已 得到重视， “全国微机电技术标准化技 术委员 会” 已 于 2008 年 11 月正 式成 立， 系统性地统筹和规划工作已经展开。 863 计划 《硅基 MEMS 制造技术标准研 究 》 课 题 也 于 2007 年 立 项 ， 《 硅 基 MEMS 制造技术标准体系》 以及 《硅基 MEMS 制造技术版图设计基本规则》 等 四项国家标准的研究正在深入开展。
1） 硅 基 MEMS 标 准 体 系 的 建 立 确 定 了 硅 基 MEMS 标 准 化 的 具 体 方 向， 可以避免标准研究与制定工作的 盲目性与随意性。
2） 硅基 MEMS 标准体系清晰展现 了硅基 MEMS 标准各部分之间的关系， 保证了标准之间的协调性、 系统性和配 套性， 从而也可以避免由于重复、 交叉 而造成的标准内容矛盾和资源浪费。
计规范、 器件选用规范、 计算机辅助 技术规范。 加工工艺设计规范主要研 究标准工艺选用规范、 工艺设计准则、 工艺设计符号、 术语等标准的制定， 如硅基 MEMS 版图设计基本规则 。 接 口设计规范包括器件标准接口、 模块 标准接口、 输入/输出规格、 标准接口 语言及符号等方面的标准。 封装设计 规范包括封装材料选用规范、 标准封 装模块化设计规范等方面的标准。 器 件选用规范主要研究标准元件选用标 准的制定。 计算机辅助设计技术规范 则是集中于标准材料数据库、 标准元 件库、 建模语言规范、 可交互数据规 范等方面的标准制定。
2 国 内 外 硅 基 MEMS 标 准 化
现状
（1） 国外硅基 MEMS 标准化现状
国外在上个世纪末就开始了硅基
MEMS 标 准 化 研 究 和 尝 试 ， 如 美 国 在
上个世纪八十年代末就已经将表面牺
牲 层 工 艺 标 准 化 。 现 在 ， MEMS 标 准
化已成为国际共识， 许多发达国家和
3） 硅基 MEMS 加工工艺规范 硅基 MEMS 加工工艺规范包括基 础工艺标准、 工艺典型化标准、 工艺 装备标准。 基础工艺标准包括基础工 艺的工艺技术通则、 工艺参数及性能 评定方法等方面的标准。 典型工艺标 准包括典型工艺的工艺技术通则、 加 工方法、 工艺流程技术等技术通则， 如体硅溶片加工工艺规范。 工艺装备 标准包括通用工艺装备规范、 专用工 艺装备规范。 4） 硅基 MEMS 封装技术标准 封装技术标准包括通用标准封装 规范、 特殊应用封装规范。 通用标准 封装规范主要包括通用封装材料标准、 基础封装工艺技术通则、 通用封装工 艺参数及性能评定方法标准。 特殊应 用封装规范则是包括专用封装标准、 特殊工艺封装标准。 5） 硅基 MEMS 器件规范 器件规范由微传感器标准、 微致 动器标准、 微执行器标准三个部分组 成。 这三个部分标准分别包括通用标 准、 型式参数以及技术条件标准、 性 能测试标准。 6） 检测技术标准 检测技术标准包括通用检测技术 标准、 专用检测技术表准。 通用检测
硅 基 MEMS 技 术 是 MEMS 主 流 技术之一， 硅基 MEMS 产品在 MEMS 产业中占有很大比重。 硅基 MEMS 技 术日臻成熟， 已经从单纯的科研探索 阶段进入技术开发和应用阶段。 而依 据 标准 化 运 行 规 律 ， 开 展 硅 基 MEMS 标准化的时机已经成熟。 开展硅基 MEMS 标 准化 一 方 面 可 以 最 大 程 度 提 高现实的重复利用效益， 另一方面为 后续技术研发与大规模产业化奠定高 水准技术平台。 因此， 开展硅基 MEMS 标准 研究 与制 定是 促 进 MEMS 从研究走向应用、 实现产业化的关键 之一， 而且硅基 MEMS 标准化的开展 可以填补国内 MEMS 标准化空白， 并 有助于我国在未来的国际标准化活动 中取得主动权。