國家傳感器科技攻關(guān)和技術(shù)發(fā)展狀況

國家傳感器科技攻關(guān)和技術(shù)發(fā)展狀況

摘要“傳感器技術(shù)研究”是“九五”國家重點科技攻關(guān)項目。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”國家重點科技攻關(guān)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(zhí)行自評估報告”后認為，“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)項目規(guī)定的攻關(guān)目標、考核目標和研究內(nèi)容。本項目共計投入經(jīng)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(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，建成傳感器實驗室、試驗基地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，實現(xiàn)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(fā)明專利11項)，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，進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓6項，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，促進了我國傳感器產(chǎn)業(yè)的形成，縮小了與世界先進水平的差距。

　　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)。不僅在實驗上取得凸角處出現(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項實用新型專利、一項發(fā)明專利，受理4項發(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)首次解決了擴散硅力敏芯片溫度靈敏度自補償工藝。通過調(diào)整平面工藝的摻雜工藝參數(shù)，實現(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)，實現(xiàn)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(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。取得了兩項實用新型專利和發(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)品實現(xiàn)適度規(guī)模的中試生產(chǎn)，主要有：

　　(1)擴散硅壓力傳感器實現(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，包括短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、可靠性都達到國外同類產(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散硅傳感器的制造工藝已經(jīng)成熟。并且在國內(nèi)首次實現(xiàn)采用微機械加工的基本工藝，批量生產(chǎn)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(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)計達到3000萬元的銷售收入。取得11項實用新型專利和發(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)值將達到5000萬元。同時，該技術(shù)在上海兆和公司進行了1000萬支的中試生產(chǎn)，產(chǎn)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(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，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，實現(xiàn)了InSb霍爾元件的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能達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行合資，擴大規(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行批量生產(chǎn)，每年有10多萬支應(yīng)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(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、圖紙設(shè)計都實現(xiàn)計算機化。設(shè)計結(jié)果在生產(chǎn)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(guān)鍵制造工藝的計算機模擬程序。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)擴散硅4"芯片生產(chǎn)工藝研究在國內(nèi)實現(xiàn)擴散硅傳感器用4"硅片工藝進行生產(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)，實現(xiàn)了靈敏度溫度漂移免補償。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)定性達到5ttV之內(nèi)，保證年長期穩(wěn)定性達到0．2％FS，達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。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，并進行批量生產(chǎn)。

　　(4)在新型氣濕敏超細粉料的研制方面，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75％．在國內(nèi)首次實現(xiàn)了擴散硅壓力傳感器用微機械加TT藝進行批量生產(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，制定了綜合應(yīng)力試驗的技術(shù)規(guī)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(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(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(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件。微電子和微機械加工等先進制造技術(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世紀人們在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個制高點。因此我們必須重視傳感器技術(shù)的發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)化的進程。