國家傳感器科技攻關和技術發展狀況

　　摘要“傳感器技術研究”是“九五”國家重點科技攻關項目。文中敘述了傳感器科技攻關在解決成果工程化、新產品開發和共性關鍵技術方面所取得的主要成績，包括技術創新、中試生產和達到的技術水平。通過科技攻關，提高了我國傳感器技術水平，促進了我國傳感器產業的發展。

1、引言

　　2000年6月12日，在國家科技部的組織下，“96-748傳感器技術研究”國家重點科技攻關項目進行了項目驗收。與會專家聽取了項目實施組的“項目執行自評估報告”后認為，“96-748傳感器技術研究”經過3年攻關已經圓滿地完成國家攻關項目規定的攻關目標、考核目標和研究內容。本項目共計投入經費6642．37萬元，國家撥款2500萬元。投入科技人員468人／年。通過3年的攻關，共計建成中試生產線12條，其中工程化課題建成中試生產線9條，新產品開發課題建成中試生產線3條，使18個品種75個規格的新產品形成一定規模的中試生產；通過新產品開發，開發了力敏、磁敏、溫度、濕氣敏的51個品種86個規格的新產品，90％的成果進行了批量或小批量生產并供應市場。傳感器的共性關鍵技術包括CAD技術、關鍵制造工藝、微機械加工技術、可靠性技術在生產中得到應用，攻關產品的成品率普遍提高10％以上，可靠性水平提高1-2個等級，建成傳感器實驗室、試驗基地5個；據不完全統計，攻關3年累計銷售各類傳感器1260多萬支，實現銷售收入14418多萬元，取得科研成果59項，總體水平達到國外九十年代中期的先進水平。獲得國家專利32項(其中獲得和受理發明專利11項)，在國內外各類期刊上發表學術論文和研究報告244篇，進行技術轉讓6項，取得較好的成績。

　　“九五”傳感器科技攻關的指導思想是：一個目標是提高傳感器的技術水平、可靠性水平和產業化程度。二個轉變是向提高企業技術進步轉變，向提高市場占有率轉變。三個結合是共性關鍵技術與應用技術相結合，加快產業化進程；典型產品開發與產品系列化相結合；滿足市場需要；科研開發與成果工程化相結合，實現適度規模生產。

　　通過攻關，在傳感器的關鍵制造工藝、新產品開發、科技成果的工程化等方面提高了我國傳感器的技術水平，促進了我國傳感器產業的形成，縮小了與世界先進水平的差距。

　　2、在技術上，取得一批具有自主知識產權的成果

　　通過攻關，在技術上有所創新，取得一批具有自主知識產權的科技成果，主要是：

　　(1)復旦大學發明的掩膜-無掩膜腐蝕工藝為國際首創。不僅在實驗上取得凸角處出現[311]面的基本規律，理論上也推導出新的底面條件和新生底面深度和位置的公式，開創了用腐蝕技術制造微結構的新工藝。利用KOH腐蝕液對于不同晶面腐蝕速率的差異，在理論和工藝上解決了采用一次掩膜技術形成三維多層微機械結構的工藝，多層結構層差控制精度在4／μm以內，轉移平面的平整度優于1／tm，受理一項發明專利。

　　(2)清華大學研制成功一種基于石英諧振器應變敏感效應的數字式力與稱重傳感器。研究了敏感元件的力敏特性、諧振器的能陷效應與諧振頻率、諧波次數和結構的關系，保證了良好的頻率穩定性。研制了專用膠粘劑，解決了影響傳感器蠕變和滯后性能的關鍵工藝，提高了傳感器性能指標及合格率。在國內外首創開發了系列化的下游應用產品——各類石英電子衡器。取得6項實用新型專利、一項發明專利，受理4項發明專利。

　　(3)哈爾濱理工大學研制成功了"新型本征半導電高分子壓力溫度雙參數傳感器"，首次合成聚省醌自由基高聚物，這是一種壓敏系數和溫度系數極高的高分子材料，過材料表面處理等技術制成傳感器，解決了油井高溫潛油泵的溫度和壓力測量的難題。經過檢索表明，新型本征高分子壓力溫度雙參數傳感器為國際首創，已經受理一項發明專利。

　　(4)沈陽儀器儀表工藝研究所在國內首次解決了擴散硅力敏芯片溫度靈敏度自補償工藝。通過調整平面工藝的摻雜工藝參數，實現了在-30-80C的全溫區內，力敏芯片的靈敏度溫度漂移控制在5％o之內，實現了擴散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補償。

　　(5)沈陽儀器儀表工藝研究所開發了高靈敏度InSb薄膜制備工藝，解決了高密度、高磁導率鐵氧體基底磨拋工藝，In、Sb單質蒸鍍工藝，敏感磨層微米級減薄工藝以及提高芯片靈敏度的摻雜工藝，研制的InSb薄膜完全能夠滿足制備高性能磁敏元件的需要。取得了兩項實用新型專利和發明專利。

　　3、在開發上，使一批市場急需的傳感器實現批量生產

　　“九五”國家傳感器科技攻關，對市場急需的傳感器新產品進行了工程化研究和開發。通過國家支持、單位自籌、成果轉讓、技術入股等方式，建成12條中試生產線，使一批科技含量較高的傳感器新產品實現適度規模的中試生產，主要有：

　　(1)擴散硅壓力傳感器實現了3kPa～60MPa量程范圍內的多個品種和規格的批量生產，產品有：工業變送器用壓力傳感器，智能變送器用多功能壓力傳感器，TO封裝和充油結構的通用壓力傳感器。產品的性能指標，包括短期穩定性、長期穩定性、可靠性都達到國外同類產品的水平，開始批量供應市場。可以說，通過攻關，沈陽儀器儀表工藝研究所的擴散硅傳感器的制造工藝已經成熟。并且在國內首次實現采用微機械加工的基本工藝，批量生產各類擴散硅壓力傳感器。

　　(2)石英諧振稱重傳感器在清華大學研制成功，并開發成功1～15kg的各種電子衡器。多方投資1668萬元，在深圳建立深圳清華傳感器設備有限公司，進行批量中試生產，建成年產100萬支石英諧振稱重傳感器和20萬臺電子衡器的中試生產線，產品大部分出口國外，2000年僅香港手提稱和配料稱的定單已有800萬美元，2000年預計達到3000萬元的銷售收入。取得11項實用新型專利和發明專利。

　　(3)華中理工大學研制成功高壓系列和低壓系列4個品種的過載保護PTC熱敏電阻，并以技術入股的方式(25％)，在武漢高新技術開發區成立湖北中幫傳感器公司，投資980萬元，建立年產2000萬支的生產線，建成后產值將達到5000萬元。同時，該技術在上海兆和公司進行了1000萬支的中試生產，產品主要用于程控交換機和電機的過載保護。

　　(4)中科院新疆物理所開發的小型和超小型NTC熱敏電阻在一致性、可靠性和性能價格比上與韓國、日本產品相當，在家電和糧庫行業占有較大的市場份額。在新疆傳感器公司建成小型和超小型NTC熱敏電阻中試生產線，1999年的銷售數量110萬支。

　　(5)InSb霍爾元件經過"八五"和"九五"科技攻關，解決了從芯片制造到封裝等一系列技術關鍵，打破了日本旭化成公司的技術壟斷，實現了InSb霍爾元件的批量生產，產品性能達到日本旭化成公司產品的水平，并在沈陽儀器儀表工藝研究所和南京中旭微電子公司進行批量生產，最近南京中旭微電子公司將與臺灣一公司進行合資，擴大規模，最終建成年產1億支的生產能力。

　　(6)中科院合肥智能機械研究所開發的厚膜壓力傳感器，經過工程化研究，在南京中旭微電子公司建成年產5萬支的厚膜壓力傳感器中試生產線，壓力范圍為0．02～40MPa，產品在工業控制領域得到應用。

　　(7)ct-Fe203氣敏傳感器和家用氣體報警器，在信息產業部49所和大慶泰科傳感器公司，建成年產100萬支的生產線，并通過了ISO-9001質量體系認證。產品在家電和環保行業得到應用。

　　(8)在高溫壓力傳感器方面，開發了SiO、多晶硅、SiC三種高溫壓力傳感器。使硅壓阻壓力傳感器的工作溫區由-30～80C拓展到22013，用于油井的高溫壓力測量。經過油田使用證明，該三種高溫壓力傳感器性能良好，并出口國外。

　　(9)高溫硅霍爾集成開關的研制成功，使硅集成霍爾開關的最高工作溫度由120C提高到15013，并在南京中旭微電子公司進行批量生產，每年有10多萬支應用于汽車點火器，效果良好。

　　(10)低功耗和低濃度CO、S02、N02等氣體傳感器開發成功，在環保領域有廣闊的應用前景，中科院長春應用化學研究所的科技成果已經轉讓到臺灣茂發科技公司，進行批量生產。

　　4、共性關鍵技術研究提高了傳感器行業的技術水平

　　“九五”國家傳感器科技攻關，在共性關鍵技術方面，主要解決了傳感器CAD應用技術，關鍵制造工藝技術，微機械加工應用技術和可靠性技術的研究，并在傳感器生產中得到應用和推廣。

　　(1)傳感器CAD設計應用技術研究使擴散硅壓力傳感器、差壓傳感器、多功能壓力傳感器、加速度傳感器、霍爾磁敏元件和應變式傳感器實現了CAD設計。從應力分析、版圖設計、結構分析、圖紙設計都實現計算機化。設計結果在生產工藝線得到實驗驗證，總符合率達到80％．力敏器件的平面工藝進行計算機模擬，確定了平面工藝中擴散、離子注入、氧化、再擴散等關鍵制造工藝的計算機模擬程序。提高了傳感器的設計水平和新產品的自主開發能力。

　　(2)擴散硅4"芯片生產工藝研究在國內實現擴散硅傳感器用4"硅片工藝進行生產，通過調整工藝參數，使硅壓阻傳感器的靈敏度溫度漂移在-30-80℃的全溫區內控制在0．5％FS之內，實現了靈敏度溫度漂移免補償。通過傳感器性能參數穩定性的研究，使傳感器的100h短期穩定性達到5ttV之內，保證年長期穩定性達到0．2％FS，達到國外同類產品的先進水平。批量生產的4"硅片的硅壓阻芯片，管芯最小面積為1．2×1.2(mm)，合格率達85％。

　　(3)InSb薄膜工藝技術研究解決了用In、Sb單質蒸鍍工藝，在磁性和非磁性基底上替代InSb單晶蒸鍍制作多晶膜的工藝技術，降低了成本，提高了成品率。同時采用選擇性濕法刻蝕工藝，特別是InSb-Au歐姆接觸膜層的選擇性刻蝕工藝制作電極。工藝成品率達到60％以上。用該InSb薄膜開發了3個品種13個規格的InSb霍爾元件，并進行批量生產。

　　(4)在新型氣濕敏超細粉料的研制方面，通過攻關，開發了Zr02-Y20，濕敏材料和NaSiCON固體電解質材料，應用這些材料，研制了400C的高溫濕度傳感器和平面內加熱式C02氣敏元件。

　　(5)化學腐蝕、電化學腐蝕、Si-Si鍵合等微機械加212／12藝在傳感器批量生產中得到應用。成功地應用于10kPa～60MPa傳感器的批量生產中，腐蝕硅膜片的最小厚度達到10／tm，精度控制在10％之內。目前，沈陽儀器儀表工藝研究所擴散硅壓力傳感器的敏感膜片全部由精密化學腐蝕、大片靜電封接、硅-硅鍵合等MEMS工藝完成。腐蝕和封接工藝的成品率達75％．在國內首次實現了擴散硅壓力傳感器用微機械加TT藝進行批量生產。

　　(6)通過傳感器可靠性技術研究，完成了傳感器綜合應力試驗，制定了綜合應力試驗的技術規范，使PTC、NTC熱敏電阻、擴散硅壓力傳感器、InSb霍爾元件的可靠性壽命試驗時間由1年左右縮短到1～2個月，可靠性試驗技術有了較大的提高。通過可靠性增長技術研究，使企業批量生產的DL93、SG75擴散硅壓力傳感器、石英諧振稱重傳感器、PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻、InSb霍爾元件、a-Fe203氣敏元件、廉價濕度傳感器的可靠性指標提高1--2個數量級。

　　5、結束語

　　可以看出，“九五”傳感器科技攻關面向市場需求，面向經濟建設需要，在提高我國傳感器的技術水平和產業化程度方面取得了較大成績，起到了科技成果產業化的孵化器的作用，促進了我國傳感器技術水平的提高，加快了科技成果產業化的進程。

　　21世紀，人類全面進入信息電子化的時代。敏感元件及傳感器是信息系統的關鍵基礎元器件。微電子和微機械加工等先進制造技術的使用，使傳感器技術迅速發展。與傳統的傳感器相比，最新一代敏感元件及傳感器的突出特征是數字化、智能化、陣列化、微小型化和微系統化。作為現代信息技術的三大核心技術之一的傳感器技術，將是21世紀人們在高新技術發展方面爭奪的一個制高點。因此我們必須重視傳感器技術的發展，加快產業化的進程。