國(guó)家傳感器科技發(fā)展概況介紹

"傳感器技術(shù)研究"是"九五"國(guó)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(kāi)發(fā)和共性關(guān)鍵技術(shù)方面所取得的主要成績(jī)，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(guò)科技攻關(guān)，提高了我國(guó)傳感器技術(shù)水平，促進(jìn)了我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 引言

2000年6月12日，在國(guó)家科技部的組織下，"96-748傳感器技術(shù)研究"國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了項(xiàng)目驗(yàn)收。與會(huì)專家聽(tīng)取了項(xiàng)目實(shí)施組的"項(xiàng)目執(zhí)行自評(píng)估報(bào)告"后認(rèn)為，"96-748傳感器技術(shù)研究"經(jīng)過(guò)3年攻關(guān)已經(jīng)圓滿地完成國(guó)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?jī)?nèi)容。本項(xiàng)目共計(jì)投入經(jīng)費(fèi)6642．37萬(wàn)元，國(guó)家撥款2500萬(wàn)元。投入科技人員468人／年。通過(guò)3年的攻關(guān)，共計(jì)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(kāi)發(fā)課題建成中試生產(chǎn)線3條，使18個(gè)品種75個(gè)規(guī)格的新產(chǎn)品形成一定規(guī)模的中試生產(chǎn)；通過(guò)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了力敏、磁敏、溫度、濕氣敏的51個(gè)品種86個(gè)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(chǎng)。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(gè)等級(jí)，建成傳感器實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)基地5個(gè)；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，攻關(guān)3年累計(jì)銷售各類傳感器1260多萬(wàn)支，實(shí)現(xiàn)銷售收入14418多萬(wàn)元，取得科研成果59項(xiàng)，總體水平達(dá)到國(guó)外九十年代中期的先進(jìn)水平。獲得國(guó)家專利32項(xiàng)(其中獲得和受理發(fā)明專利11項(xiàng))，在國(guó)內(nèi)外各類期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文和研究報(bào)告244篇，進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓6項(xiàng)，取得較好的成績(jī)。

"九五"傳感器科技攻關(guān)的指導(dǎo)思想是：一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)變是向提高企業(yè)技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)變，向提高市場(chǎng)占有率轉(zhuǎn)變。三個(gè)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(kāi)發(fā)與產(chǎn)品系列化相結(jié)合；滿足市場(chǎng)需要；科研開(kāi)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(guò)攻關(guān)，在傳感器的關(guān)鍵制造工藝、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、科技成果的工程化等方面提高了我國(guó)傳感器的技術(shù)水平，促進(jìn)了我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的成果

通過(guò)攻關(guān)，在技術(shù)上有所創(chuàng)新，取得一批具有自主知識(shí)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(wú)掩膜腐蝕工藝為國(guó)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(kāi)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(duì)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(guó)內(nèi)外首創(chuàng)開(kāi)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(guò)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(cè)量的難題。經(jīng)過(guò)檢索表明，新型本征高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器為國(guó)際

首創(chuàng)，已經(jīng)受理一項(xiàng)發(fā)明專利。

(4)沈陽(yáng)儀器儀表工藝研究所在國(guó)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(guò)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) 九純健科技在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)離心表面涂膜及特殊老化工藝，采用多片濕敏元件組合方式，以及溫度自動(dòng)補(bǔ)償方式，成功解決了濕度測(cè)量領(lǐng)域的高溫濕度無(wú)法測(cè)量，全量程敏感元件不線性，溫度對(duì)濕度測(cè)量精度的影響等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了120℃以內(nèi)環(huán)境濕度的直接測(cè)量，200-600度環(huán)境濕度的間接測(cè)量。由于采用了溫度自動(dòng)補(bǔ)償工藝，在測(cè)量環(huán)境溫度發(fā)生大的變化時(shí)，對(duì)濕度傳感器的測(cè)量精度不會(huì)造成影響?？稍?20度以內(nèi)保證濕度測(cè)量2%RH精度。同時(shí)采用濕敏元件多片組合線化方案。成功解決了單片濕敏元件測(cè)量濕度時(shí)低濕和高濕部分的不線性問(wèn)題。

3 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(guó)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(jì)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(jì)。從應(yīng)力分析、版圖設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)都實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化。設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)模擬程序。提高了傳感器的

設(shè)計(jì)水平和新產(chǎn)品的自主開(kāi)發(fā)能力。

(2)擴(kuò)散硅4"芯片生產(chǎn)工藝研究 在國(guó)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(guò)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(guò)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(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)到0．2％FS，達(dá)到國(guó)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(shí)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(kāi)發(fā)了3個(gè)品種13個(gè)規(guī)格的InSb霍爾元件，并進(jìn)行批量生產(chǎn)。

(4) 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(yáng)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(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散硅壓力傳感器用微機(jī)械加工工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。

(5)通過(guò)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(shí)間由1年左右縮短到1～2個(gè)月，可靠性試驗(yàn)技術(shù)有了較大的提高。通過(guò)可靠性增長(zhǎng)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(jià)濕度傳感器的可靠性指標(biāo)提高1--2個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

可以看出，"九五"傳感器科技攻關(guān)面向市場(chǎng)需求，面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，在提高我國(guó)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(jī)，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(guó)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(shí)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?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。因此我們必須重視傳感器技術(shù)的發(fā)展，使之盡快產(chǎn)業(yè)化。