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(diǎn)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(kāi)發(fā)和共性關(guān)鍵技術(shù)方面所取得的主要成績(jì)，包括技術(shù)創(chuàng )新、中試生產(chǎn)和達到的技術(shù)水平。通過(guò)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)項目進(jìn)行了項目驗收。與會(huì )專(zhuān)家聽(tīng)取了項目實(shí)施組的“項目執行自評估報告”后認為，“96-748傳感器技術(shù)研究”經(jīng)過(guò)3年攻關(guān)已經(jīng)圓滿(mǎn)地完成國家攻關(guān)項目規定的攻關(guān)目標、考核目標和研究?jì)热�。本項目共計投入�?jīng)費6642．37萬(wàn)元，國家撥款2500萬(wàn)元。投入科技人員468人／年。通過(guò)3年的攻關(guān)，共計建成中試生產(chǎn)線(xiàn)12條，其中工程化課題建成中試生產(chǎn)線(xiàn)9條，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)課題建成中試生產(chǎn)線(xiàn)3條，使18個(gè)品種75個(gè)規格的新產(chǎn)品形成一定規模的中試生產(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、微機械加工技術(shù)、可靠性技術(shù)在生產(chǎn)中得到應用，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，建成傳感器實(shí)驗室、試驗基地5個(gè)；據不完全統計，攻關(guān)3年累計銷(xiāo)售各類(lèi)傳感器1260多萬(wàn)支，實(shí)現銷(xiāo)售收入14418多萬(wàn)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(jìn)水平。獲得國家專(zhuān)利32項(其中獲得和受理發(fā)明專(zhuān)利11項)，在國內外各類(lèi)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)轉讓6項，取得較好的成績(jì)。

　　“九五”傳感器科技攻關(guān)的指導思想是：一個(gè)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(gè)轉變是向提高企業(yè)技術(shù)進(jìn)步轉變，向提高市場(chǎng)占有率轉變。三個(gè)結合是共性關(guān)鍵技術(shù)與應用技術(shù)相結合，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；典型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品系列化相結合；滿(mǎn)足市場(chǎng)需要；科研開(kāi)發(fā)與成果工程化相結合，實(shí)現適度規模生產(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產(chǎn)權的科技成果，主要是：

　　(1)復旦大學(xué)發(fā)明的掩膜-無(wú)掩膜腐蝕工藝為國際首創(chuàng )。不僅在實(shí)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(kāi)創(chuàng )了用腐蝕技術(shù)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(shù)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?xún)�，轉移平面的平整度優(yōu)于1／tm，受理一項發(fā)明專(zhuān)利。

　　(2)清華大學(xué)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(chēng)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(guān)系，保證了良好的頻率穩定性。研制了專(zhuān)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。在國內外首創(chuàng )開(kāi)發(fā)了系列化的下游應用產(chǎn)品——各類(lèi)石英電子衡器。取得6項實(shí)用新型專(zhuān)利、一項發(fā)明專(zhuān)利，受理4項發(fā)明專(zhuān)利。

　　(3)哈爾濱理工大學(xué)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(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傳感器為國際首創(chuàng )，已經(jīng)受理一項發(fā)明專(zhuān)利。

　　(4)沈陽(yáng)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(guò)調整平面工藝的摻雜工藝參數，實(shí)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(shí)現了擴散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補償。

　　(5)沈陽(yáng)儀器儀表工藝研究所開(kāi)發(fā)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(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(mǎn)足制備高性能磁敏元件的需要。取得了兩項實(shí)用新型專(zhuān)利和發(fā)明專(zhuān)利。

　　3、在開(kāi)發(fā)上，使一批市場(chǎng)急需的傳感器實(shí)現批量生產(chǎn)

　　“九五”國家傳感器科技攻關(guān)，對市場(chǎng)急需的傳感器新產(chǎn)品進(jìn)行了工程化研究和開(kāi)發(fā)。通過(guò)國家支持、單位自籌、成果轉讓、技術(shù)入股等方式，建成12條中試生產(chǎn)線(xiàn)，使一批科技含量較高的傳感器新產(chǎn)品實(shí)現適度規模的中試生產(chǎn)，主要有：

　　(1)擴散硅壓力傳感器實(shí)現了3kPa～60MPa量程范圍內的多個(gè)品種和規格的批量生產(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封裝和充油結構的通用壓力傳感器。產(chǎn)品的性能指標，包括短期穩定性、長(cháng)期穩定性、可靠性都達到國外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，開(kāi)始批量供應市場(chǎng)�？梢哉f(shuō)，通過(guò)攻關(guān)，沈陽(yáng)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。并且在國內首次實(shí)現采用微機械加工的基本工藝，批量生產(chǎn)各類(lèi)擴散硅壓力傳感器。

　　(2)石英諧振稱(chēng)重傳感器在清華大學(xué)研制成功，并開(kāi)發(fā)成功1～15kg的各種電子衡器。多方投資1668萬(wàn)元，在深圳建立深圳清華傳感器設備有限公司，進(jìn)行批量中試生產(chǎn)，建成年產(chǎn)100萬(wàn)支石英諧振稱(chēng)重傳感器和20萬(wàn)臺電子衡器的中試生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)品大部分出口國外，2000年僅香港手提稱(chēng)和配料稱(chēng)的定單已有800萬(wàn)美元，2000年預計達到3000萬(wàn)元的銷(xiāo)售收入。取得11項實(shí)用新型專(zhuān)利和發(fā)明專(zhuān)利。

　　(3)華中理工大學(xué)研制成功高壓系列和低壓系列4個(gè)品種的過(guò)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(kāi)發(fā)區成立湖北中幫傳感器公司，投資980萬(wàn)元，建立年產(chǎn)2000萬(wàn)支的生產(chǎn)線(xiàn)，建成后產(chǎn)值將達到5000萬(wàn)元。同時(shí)，該技術(shù)在上海兆和公司進(jìn)行了1000萬(wàn)支的中試生產(chǎn)，產(chǎn)品主要用于程控交換機和電機的過(guò)載保護。

　　(4)中科院新疆物理所開(kāi)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(jià)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(chǎng)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(xiàn)，1999年的銷(xiāo)售數量110萬(wàn)支。

　　(5)InSb霍爾元件經(jīng)過(guò)"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(yáng)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，擴大規模，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(kāi)發(fā)的厚膜壓力傳感器，經(jīng)過(guò)工程化研究，在南京中旭微電子公司建成年產(chǎn)5萬(wàn)支的厚膜壓力傳感器中試生產(chǎn)線(xiàn)，壓力范圍為0．02～40MPa，產(chǎn)品在工業(yè)控制領(lǐng)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(chǎn)業(yè)部49所和大慶泰科傳感器公司，建成年產(chǎn)100萬(wàn)支的生產(chǎn)線(xiàn)，并通過(guò)了ISO-9001質(zhì)量體系認證。產(chǎn)品在家電和環(huán)保行業(yè)得到應用。

　　(8)在高溫壓力傳感器方面，開(kāi)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由-30～80C拓展到22013，用于油井的高溫壓力測量。經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)的研制成功，使硅集成霍爾開(kāi)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(wàn)支應用于汽車(chē)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(kāi)發(fā)成功，在環(huán)保領(lǐng)域有廣闊的應用前景，中科院長(cháng)春應用化學(xué)研究所的科技成果已經(jīng)轉讓到臺灣茂發(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應用技術(shù)，關(guān)鍵制造工藝技術(shù)，微機械加工應用技術(shù)和可靠性技術(shù)的研究，并在傳感器生產(chǎn)中得到應用和推廣。

　　(1)傳感器CAD設計應用技術(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、霍爾磁敏元件和應變式傳感器實(shí)現了CAD設計。從應力分析、版圖設計、結構分析、圖紙設計都實(shí)現計算機化。設計結果在生產(chǎn)工藝線(xiàn)得到實(shí)驗驗證，總符合率達到80％．力敏器件的平面工藝進(jìn)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。提高了傳感器的設計水平和新產(chǎn)品的自主開(kāi)發(fā)能力。

　　(2)擴散硅4"芯片生產(chǎn)工藝研究在國內實(shí)現擴散硅傳感器用4"硅片工藝進(jìn)行生產(chǎn)，通過(guò)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(shí)現了靈敏度溫度漂移免補償。通過(guò)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(cháng)期穩定性達到0．2％FS，達到國外同類(lèi)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。工藝成品率達到60％以上。用該InSb薄膜開(kāi)發(fā)了3個(gè)品種13個(gè)規格的InSb霍爾元件，并進(jìn)行批量生產(chǎn)。

　　(4)在新型氣濕敏超細粉料的研制方面，通過(guò)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)了Zr02-Y20，濕敏材料和NaSiCON固體電解質(zhì)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(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)中得到應用。成功地應用于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。目前，沈陽(yáng)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％．在國內首次實(shí)現了擴散硅壓力傳感器用微機械加TT藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。

　　(6)通過(guò)傳感器可靠性技術(shù)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(shù)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(shí)間由1年左右縮短到1～2個(gè)月，可靠性試驗技術(shù)有了較大的提高。通過(guò)可靠性增長(cháng)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(chēng)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提高1--2個(gè)數量級。

　　5、結束語(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)濟建設需要，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(jì)，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，人類(lèi)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的關(guān)鍵基礎元器件。微電子和微機械加工等先進(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(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(gè)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。