國家傳感器科技攻關(guān)和技術(shù)發(fā)展

　　摘要“傳感器技術(shù)研究”是“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。文中敘述了傳感器科技攻關(guān)在解決成果工程化、新產(chǎn)品開發(fā)和共性關(guān)鍵技術(shù)方面所取得的主要成績，包括技術(shù)創(chuàng)新、中試生產(chǎn)和達(dá)到的技術(shù)水平。通過科技攻關(guān)，提高了我國傳感器技術(shù)水平，促進(jìn)了我國傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(shù)研究”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了項(xiàng)目驗(yàn)收。與會專家聽取了項(xiàng)目實(shí)施組的“項(xiàng)目執(zhí)行自評估報告”后認(rèn)為，“96-748傳感器技術(shù)研究”經(jīng)過3年攻關(guān)已經(jīng)圓滿地完成國家攻關(guān)項(xiàng)目規(guī)定的攻關(guān)目標(biāo)、考核目標(biāo)和研究內(nèi)容。本項(xiàng)目共計投入經(jīng)費(fèi)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(guān)，共計建成中試生產(chǎn)線12條，其中工程化課題建成中試生產(chǎn)線9條，新產(chǎn)品開發(fā)課題建成中試生產(chǎn)線3條，使18個品種75個規(guī)格的新產(chǎn)品形成一定規(guī)模的中試生產(chǎn)；通過新產(chǎn)品開發(fā)，開發(fā)了力敏、磁敏、溫度、濕氣敏的51個品種86個規(guī)格的新產(chǎn)品，90％的成果進(jìn)行了批量或小批量生產(chǎn)并供應(yīng)市場。傳感器的共性關(guān)鍵技術(shù)包括CAD技術(shù)、關(guān)鍵制造工藝、微機(jī)械加工技術(shù)、可靠性技術(shù)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，攻關(guān)產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)基地5個；據(jù)不完全統(tǒng)計，攻關(guān)3年累計銷售各類傳感器1260多萬支，實(shí)現(xiàn)銷售收入14418多萬元，取得科研成果59項(xiàng)，總體水平達(dá)到國外九十年代中期的先進(jìn)水平。獲得國家專利32項(xiàng)(其中獲得和受理發(fā)明專利11項(xiàng))，在國內(nèi)外各類期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文和研究報告244篇，進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓6項(xiàng)，取得較好的成績。
　　
　　 “九五”傳感器科技攻關(guān)的指導(dǎo)思想是：一個目標(biāo)是提高傳感器的技術(shù)水平、可靠性水平和產(chǎn)業(yè)化程度。二個轉(zhuǎn)變是向提高企業(yè)技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)變，向提高市場占有率轉(zhuǎn)變。三個結(jié)合是共性關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；典型產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品系列化相結(jié)合；滿足市場需要；科研開發(fā)與成果工程化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)適度規(guī)模生產(chǎn)。
　　
　　 通過攻關(guān)，在傳感器的關(guān)鍵制造工藝、新產(chǎn)品開發(fā)、科技成果的工程化等方面提高了我國傳感器的技術(shù)水平，促進(jìn)了我國傳感器產(chǎn)業(yè)的形成，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。
　　
　　 2 在技術(shù)上，取得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果
　　
　　 通過攻關(guān)，在技術(shù)上有所創(chuàng)新，取得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科技成果，主要是：
　　
　　 (1)復(fù)旦大學(xué)發(fā)明的掩膜-無掩膜腐蝕工藝為國際首創(chuàng)。不僅在實(shí)驗(yàn)上取得凸角處出現(xiàn)[311]面的基本規(guī)律，理論上也推導(dǎo)出新的底面條件和新生底面深度和位置的公式，開創(chuàng)了用腐蝕技術(shù)制造微結(jié)構(gòu)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(shù)形成三維多層微機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝，多層結(jié)構(gòu)層差控制精度在4／μm以內(nèi)，轉(zhuǎn)移平面的平整度優(yōu)于1／tm，受理一項(xiàng)發(fā)明專利。
　　
　　 (2)清華大學(xué)研制成功一種基于石英諧振器應(yīng)變敏感效應(yīng)的數(shù)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(yīng)與諧振頻率、諧波次數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，保證了良好的頻率穩(wěn)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(guān)鍵工藝，提高了傳感器性能指標(biāo)及合格率。在國內(nèi)外首創(chuàng)開發(fā)了系列化的下游應(yīng)用產(chǎn)品——各類石英電子衡器。取得6項(xiàng)實(shí)用新型專利、一項(xiàng)發(fā)明專利，受理4項(xiàng)發(fā)明專利。
　　
　　 (3)哈爾濱理工大學(xué)研制成功了"新型本征半導(dǎo)電高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器"，首次合成聚省醌自由基高聚物，這是一種壓敏系數(shù)和溫度系數(shù)極高的高分子材料，過材料表面處理等技術(shù)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(jīng)過檢索表明，新型本征高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器為國際首創(chuàng)，已經(jīng)受理一項(xiàng)發(fā)明專利。
　　
　　 (4)沈陽儀器儀表工藝研究所在國內(nèi)首次解決了擴(kuò)散硅力敏芯片溫度靈敏度自補(bǔ)償工藝。通過調(diào)整平面工藝的摻雜工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在-30-80C的全溫區(qū)內(nèi)，力敏芯片的靈敏度溫度漂移控制在5％o之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補(bǔ)償。
　　
　　 (5)沈陽儀器儀表工藝研究所開發(fā)了高靈敏度InSb薄膜制備工藝，解決了高密度、高磁導(dǎo)率鐵氧體基底磨拋工藝，In、Sb單質(zhì)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(xiàng)實(shí)用新型專利和發(fā)明專利。
　　
　　3 在開發(fā)上，使一批市場急需的傳感器實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)
　　
　　 “九五”國家傳感器科技攻關(guān)，對市場急需的傳感器新產(chǎn)品進(jìn)行了工程化研究和開發(fā)。通過國家支持、單位自籌、成果轉(zhuǎn)讓、技術(shù)入股等方式，建成12條中試生產(chǎn)線，使一批科技含量較高的傳感器新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)適度規(guī)模的中試生產(chǎn)，主要有：
　　
　　 (1)擴(kuò)散硅壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了3kPa～60MPa量程范圍內(nèi)的多個品種和規(guī)格的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品有：工業(yè)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(jié)構(gòu)的通用壓力傳感器。產(chǎn)品的性能指標(biāo)，包括短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、可靠性都達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，開始批量供應(yīng)市場?？梢哉f，通過攻關(guān)，沈陽儀器儀表工藝研究所的擴(kuò)散硅傳感器的制造工藝已經(jīng)成熟。并且在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)采用微機(jī)械加工的基本工藝，批量生產(chǎn)各類擴(kuò)散硅壓力傳感器。
　　
　　 (2)石英諧振稱重傳感器在清華大學(xué)研制成功，并開發(fā)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(shè)備有限公司，進(jìn)行批量中試生產(chǎn)，建成年產(chǎn)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(chǎn)線，產(chǎn)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(yù)計達(dá)到3000萬元的銷售收入。取得11項(xiàng)實(shí)用新型專利和發(fā)明專利。
　　
　　 (3)華中理工大學(xué)研制成功高壓系列和低壓系列4個品種的過載保護(hù)PTC熱敏電阻，并以技術(shù)入股的方式(25％)，在武漢高新技術(shù)開發(fā)區(qū)成立湖北中幫傳感器公司，投資980萬元，建立年產(chǎn)2000萬支的生產(chǎn)線，建成后產(chǎn)值將達(dá)到5000萬元。同時，該技術(shù)在上海兆和公司進(jìn)行了1000萬支的中試生產(chǎn)，產(chǎn)品主要用于程控交換機(jī)和電機(jī)的過載保護(hù)。
　　
　　 (4)中科院新疆物理所開發(fā)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(chǎn)品相當(dāng)，在家電和糧庫行業(yè)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(chǎn)線，1999年的銷售數(shù)量110萬支。
　　
　　 (5)InSb霍爾元件經(jīng)過"八五"和"九五"科技攻關(guān)，解決了從芯片制造到封裝等一系列技術(shù)關(guān)鍵，打破了日本旭化成公司的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了InSb霍爾元件的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能達(dá)到日本旭化成公司產(chǎn)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(jìn)行批量生產(chǎn)，最近南京中旭微電子公司將與臺灣一公司進(jìn)行合資，擴(kuò)大規(guī)模，最終建成年產(chǎn)1億支的生產(chǎn)能力。
　　
　　 (6)中科院合肥智能機(jī)械研究所開發(fā)的厚膜壓力傳感器，經(jīng)過工程化研究，在南京中旭微電子公司建成年產(chǎn)5萬支的厚膜壓力傳感器中試生產(chǎn)線，壓力范圍為0．02～40MPa，產(chǎn)品在工業(yè)控制領(lǐng)域得到應(yīng)用。
　　
　　 (7)ct-Fe203氣敏傳感器和家用氣體報警器，在信息產(chǎn)業(yè)部49所和大慶泰科傳感器公司，建成年產(chǎn)100萬支的生產(chǎn)線，并通過了ISO-9001質(zhì)量體系認(rèn)證。產(chǎn)品在家電和環(huán)保行業(yè)得到應(yīng)用。
　　
　　 (8)在高溫壓力傳感器方面，開發(fā)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(qū)由-30～80C拓展到22013，用于油井的高溫壓力測量。經(jīng)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(guān)的研制成功，使硅集成霍爾開關(guān)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(jìn)行批量生產(chǎn)，每年有10多萬支應(yīng)用于汽車點(diǎn)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(fā)成功，在環(huán)保領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的科技成果已經(jīng)轉(zhuǎn)讓到臺灣茂發(fā)科技公司，進(jìn)行批量生產(chǎn)。
　　
　　 4 共性關(guān)鍵技術(shù)研究提高了傳感器行業(yè)的技術(shù)水平
　　
　　 “九五”國家傳感器科技攻關(guān)，在共性關(guān)鍵技術(shù)方面，主要解決了傳感器CAD應(yīng)用技術(shù)，關(guān)鍵制造工藝技術(shù)，微機(jī)械加工應(yīng)用技術(shù)和可靠性技術(shù)的研究，并在傳感器生產(chǎn)中得到應(yīng)用和推廣。
　　
　　 (1)傳感器CAD設(shè)計應(yīng)用技術(shù)研究使擴(kuò)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(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)了CAD設(shè)計。從應(yīng)力分析、版圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、圖紙?jiān)O(shè)計都實(shí)現(xiàn)計算機(jī)化。設(shè)計結(jié)果在生產(chǎn)工藝線得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總符合率達(dá)到80％．力敏器件的平面工藝進(jìn)行計算機(jī)模擬，確定了平面工藝中擴(kuò)散、離子注入、氧化、再擴(kuò)散等關(guān)鍵制造工藝的計算機(jī)模擬程序。提高了傳感器的設(shè)計水平和新產(chǎn)品的自主開發(fā)能力。
　　
　　 (2)擴(kuò)散硅4"芯片生產(chǎn)工藝研究在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散硅傳感器用4"硅片工藝進(jìn)行生產(chǎn)，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使硅壓阻傳感器的靈敏度溫度漂移在-30-80℃的全溫區(qū)內(nèi)控制在0．5％FS之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了靈敏度溫度漂移免補(bǔ)償。通過傳感器性能參數(shù)穩(wěn)定性的研究，使傳感器的100h短期穩(wěn)定性達(dá)到5ttV之內(nèi)，保證年長期穩(wěn)定性達(dá)到0．2％FS，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。批量生產(chǎn)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(dá)85％．
　　
　　 (3)InSb薄膜工藝技術(shù)研究解決了用In、Sb單質(zhì)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(shù)，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(dá)到60％以上。用該InSb薄膜開發(fā)了3個品種13個規(guī)格的InSb霍爾元件，并進(jìn)行批量生產(chǎn)。
　　
　　 (4)在新型氣濕敏超細(xì)粉料的研制方面，通過攻關(guān)，開發(fā)了Zr02-Y20，濕敏材料和NaSiCON固體電解質(zhì)材料，應(yīng)用這些材料，研制了400C的高溫濕度傳感器和平面內(nèi)加熱式C02氣敏元件。
　　
　　 (5)化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、Si-Si鍵合等微機(jī)械加212／12藝在傳感器批量生產(chǎn)中得到應(yīng)用。成功地應(yīng)用于10kPa～60MPa傳感器的批量生產(chǎn)中，腐蝕硅膜片的最小厚度達(dá)到10／tm，精度控制在10％之內(nèi)。目前，沈陽儀器儀表工藝研究所擴(kuò)散硅壓力傳感器的敏感膜片全部由精密化學(xué)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(dá)75％．在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散硅壓力傳感器用微機(jī)械加TT藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。
　　
　　 (6)通過傳感器可靠性技術(shù)研究，完成了傳感器綜合應(yīng)力試驗(yàn)，制定了綜合應(yīng)力試驗(yàn)的技術(shù)規(guī)范，使PTC、NTC熱敏電阻、擴(kuò)散硅壓力傳感器、InSb霍爾元件的可靠性壽命試驗(yàn)時間由1年左右縮短到1～2個月，可靠性試驗(yàn)技術(shù)有了較大的提高。通過可靠性增長技術(shù)研究，使企業(yè)批量生產(chǎn)的DL93、SG75擴(kuò)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(biāo)提高1--2個數(shù)量級。
　　
　　 5 結(jié)束語
　　
　　 可以看出，“九五”傳感器科技攻關(guān)面向市場需求，面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，在提高我國傳感器的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度方面取得了較大成績，起到了科技成果產(chǎn)業(yè)化的孵化器的作用，促進(jìn)了我國傳感器技術(shù)水平的提高，加快了科技成果產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
　　
　　 21世紀(jì)，人類全面進(jìn)入信息電子化的時代。敏感元件及傳感器是信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件。微電子和微機(jī)械加工等先進(jìn)制造技術(shù)的使用，使傳感器技術(shù)迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)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(shù)字化、智能化、陣列化、微小型化和微系統(tǒng)化。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的傳感器技術(shù)，將是21世紀(jì)人們在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個制高點(diǎn)。因此我們必須重視傳感器技術(shù)的發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。