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国家传感器科技攻关和技术发展

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            赵志诚  沈阳仪器仪表工艺研究所  沈阳市  110043
    [摘要]""传感器技术研究""是""九五""国家重点科技攻关项目。文中叙述了传感器科技攻关在解决成果工程化、新产品开发和共性关键技术方面所取得的主要成绩,包括技术创新、中试生产和达到的技术水平。通过科技攻关,提高了我国传感器技术水平,促进了我国传感器产业的发展。
关键词:传感器  科技攻关  CAD
      Scientific Problem-tackling for·Transducer and Technical Development
                                          
    Zhao Zhicheng

   Shenyang lnstitute of lnstrumentationTechnologyShenyang 110043

     Abstract:There search for transducer techniqueis the key tackling item in the Ninth-five plans.This paper illustrates the main contribution to fruit engineering,product development and some common key technique,which include technical innovation,experimental manufacturing and achievement of technical level.Resulted in the scientific problem tackling for transducer,the industry for transducers iS greatly hastened.
   Key Words:Transducer,Scientific ProblemTackling,CAD
1  引言
    2000年6月12日,在国家科技部的组织下,""96-748传感器技术研究""国家重点科技攻关项目进行了项目验收。与会专家听取了项目实施组的""项目执行自评估报告""后认为,""96-748传感器技术研究""经过3年攻关已经圆满地完成国家攻关项目规定的攻关目标、考核目标和研究内容。本项目共计投入经费6642.37万元,国家拨款2500万元。投入科技人员468人/年。通过3年的攻关,共计建成中试生产线12条,其中工程化课题建成中试生产线9条,新产品开发课题建成中试生产线3条,使18个品种75个规格的新产品形成一定规模的中试生产;通过新产品开发,开发了力敏、磁敏、温度、湿气敏的51个品种86个规格的新产品,90%的成果进行了批量或小批量生产并供应市场。传感器的共性关键技术包括CAD技术、关键制造工艺、微机械加工技术、可靠性技术在生产中得到应用,攻关产品的成品率普遍提高10%以上,可靠性水平提高1-2个等级,建成传感器实验室、试验基地5个;据不完全统计,攻关3年累计销售各类传感器1260多万支,实现销售收入14418多万元,取得科研成果59项,总体水平达到国外九十年代中期的先进水平。获得国家专利32项(其中获得和受理发明专利11项),在国内外各类期刊上发表学术论文和研究报告244篇,进行技术转让6项,取得较好的成绩。
   ""九五""传感器科技攻关的指导思想是:一个目标是提高传感器的技术水平、可靠性水平和产业化程度。二个转变是向提高企业技术进步转变,向提高市场占有率转变。三个结合是共性关键技术与应用技术相结合,加快产业化进程;典型产品开发与产品系列化相结合;满足市场需要;科研开发与成果工程化相结合,实现适度规模生产。
   通过攻关,在传感器的关键制造工艺、新产品开发、科技成果的工程化等方面提高了我国传感器的技术水平,促进了我国传感器产业的形成,缩小了与世界先进水平的差距。
2 在技术上,取得一批具有自主知识产权的成果
    通过攻关,在技术上有所创新,取得一批具有自主知识产权的科技成果,主要是:
   (1)复旦大学发明的掩膜-无掩膜腐蚀工艺为国际首创。不仅在实验上取得凸角处出现[311]面的基本规律,理论上也推导出新的底面条件和新生底面深度和位置的公式,开创了用腐蚀技术制造微结构的新工艺。利用KOH腐蚀液对于不同晶面腐蚀速率的差
异,在理论和工艺上解决了采用一次掩膜技术形成三维多层微机械结构的工艺,多层结构层差控制精度在4/μm以内,转移平面的平整度优于1/tm,受理一项发明
专利。
    (2)清华大学研制成功一种基于石英谐振器应变敏感效应的数字式力与称重传感器。研究了敏感元件的力敏特性、谐振器的能陷效应与谐振频率、谐波次数和结构的关系,保证了良好的频率稳定性。研制了专用胶粘剂,解决了影响传感器蠕变和滞后性能的关键工艺,提高了传感器性能指标及合格率。在国内外首创开发了系列化的下游应用产品——各类石英电子衡器。取得6项实用新型专利、一项发明专利,受理4项
发明专利。
    (3)哈尔滨理工大学研制成功了""新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器"",首次合成聚省醌自由基高聚物,这是一种压敏系数和温度系数极高的高分子材料,过材料表面处理等技术制成传感器,解决了油井高温潜油泵的温度和压力测量的难题。经过检索表明,新型本征高分子压力温度双参数传感器为国际
首创,已经受理一项发明专利。
    (4)沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片温度灵敏度自补偿工艺。通过调整平面工艺的掺杂工艺参数,实现了在-30-80C的全温区内,力敏芯片的灵敏度温度漂移控制在5%o之内,实现了扩散硅力敏芯片的灵敏度温度自补偿。
    (5)沈阳仪器仪表工艺研究所开发了高灵敏度InSb薄膜制备工艺,解决了高密度、高磁导率铁氧体基底磨抛工艺,In、Sb单质蒸镀工艺,敏感磨层微米级减薄工艺以及提高芯片灵敏度的掺杂工艺,研制的InSb薄膜完全能够满足制备高性能磁敏元件的需要。取得了两项实用新型专利和发明专利。
3  在开发上,使一批市场急需的传感器实现批量生产
    ""九五""国家传感器科技攻关,对市场急需的传感器新产品进行了工程化研究和开发。通过国家支持、单位自筹、成果转让、技术入股等方式,建成12条中试生产线,使一批科技含量较高的传感器新产品实现适度规模的中试生产,主要有:
    (1)扩散硅压力传感器实现了3kPa~60MPa量程范围内的多个品种和规格的批量生产,产品有:工业变送器用压力传感器,智能变送器用多功能压力传感器,TO封装和充油结构的通用压力传感器。产品的性能指标,包括短期稳定性、长期稳定性、可靠性都达到国外同类产品的水平,开始批量供应市场。可以说,通过攻关,沈阳仪器仪表工艺研究所的扩散硅传感器的制造工艺已经成熟。并且在国内首次实现采用微机械加工的基本工艺,批量生产各类扩散硅压力传感器。
    (2)石英谐振称重传感器在清华大学研制成功,并开发成功1~15kg的各种电子衡器。多方投资1668万元,在深圳建立深圳清华传感器设备有限公司,进行批量中试生产,建成年产100万支石英谐振称重传感器和20万台电子衡器的中试生产线,产品大部分出口国外,2000年仅香港手提称和配料称的定单已有800万美元,2000年预计达到3000万元的销售收入。取得11项实用新型专利和发明专利。
    (3)华中理工大学研制成功高压系列和低压系列4个品种的过载保护PTC热敏电阻,并以技术入股的方式(25%),在武汉高新技术开发区成立湖北中帮传感器公司,投资980万元,建立年产2000万支的生产线,建成后产值将达到5000万元。同时,该技术在上海兆和公司进行了1000万支的中试生产,产品主要用于程控交换机和电机的过载保护。
    (4)中科院新疆物理所开发的小型和超小型NTC热敏电阻在一致性、可靠性和性能价格比上与韩国、日本产品相当,在家电和粮库行业占有较大的市场份额。在新疆传感器公司建成小型和超小型NTC热敏电阻中试生产线,1999年的销售数量110万支。
    (5)InSb霍尔元件经过""八五""和""九五""科技攻关,解决了从芯片制造到封装等一系列技术关键,打破了日本旭化成公司的技术垄断,实现了InSb霍尔元件的批量生产,产品性能达到日本旭化成公司产品的水平,并在沈阳仪器仪表工艺研究所和南京中旭微电子公司进行批量生产,最近南京中旭微电子公司将与台湾一公司进行合资,扩大规模,最终建成年产1亿支的生产能力。
    (6)中科院合肥智能机械研究所开发的厚膜压力传感器,经过工程化研究,在南京中旭微电子公司建成年产5万支的厚膜压力传感器中试生产线,压力范围为0.02~40MPa,产品在工业控制领域得到应用。
    (7)ct-Fe203气敏传感器和家用气体报警器,在信息产业部49所和大庆泰科传感器公司,建成年产100万支的生产线,并通过了ISO-9001质量体系认证。产品在家电和环保行业得到应用。
    (8)在高温压力传感器方面,开发了SiO、多晶硅、SiC三种高温压力传感器。使硅压阻压力传感器的工作温区由-30~80C拓展到22013,用于油井的高温压力测量。经过油田使用证明,该三种高温压力传感器性能良好,并出口国外。
    (9)高温硅霍尔集成开关的研制成功,使硅集成霍尔开关的最高工作温度由120C提高到15013,并在南京中旭微电子公司进行批量生产,每年有10多万支应
用于汽车点火器,效果良好。
    (10)低功耗和低浓度CO、S02、N02等气体传感器开发成功,在环保领域有广阔的应用前景,中科院长春应用化学研究所的科技成果已经转让到台湾茂发科
技公司,进行批量生产。
4 共性关键技术研究提高了传感器行业的技术水平
    ""九ti2""国家传感器科技攻关,在共性关键技术方面,主要解决了传感器CAD应用技术,关键制造工艺技术,微机械加工应用技术和可靠性技术的研究,并在
传感器生产中得到应用和推广。
    (1)传感器CAD设计应用技术研究  使扩散硅压力传感器、差压传感器、多功能压力传感器、加速度传感器、霍尔磁敏元件和应变式传感器实现了CAD设计。从应力分析、版图设计、结构分析、图纸设计都实现计算机化。设计结果在生产工艺线得到实验验证,总符合率达到80%.力敏器件的平面工艺进行计算机模拟,确定了平面工艺中扩散、离子注入、氧化、再扩散等关键制造工艺的计算机模拟程序。提高了传感器的
设计水平和新产品的自主开发能力。
    (2)扩散硅4""芯片生产工艺研究  在国内实现扩散硅传感器用4""硅片工艺进行生产,通过调整工艺参数,使硅压阻传感器的灵敏度温度漂移在-30-80℃的全温区内控制在0.5%FS之内,实现了灵敏度温度漂移免补偿。通过传感器性能参数稳定性的研究,使传感器的100h短期稳定性达到5ttV之内,保证年长期稳定性达到0.2%FS,达到国外同类产品的先进水平。批量生产的4""硅片的硅压阻芯片,管芯最小面积为1.2×1.2(mm),合格率达85%.
    (3)InSb薄膜工艺技术研究  解决了用In、Sb单质蒸镀工艺,在磁性和非磁性基底上替代InSb单晶蒸镀制作多晶膜的工艺技术,降低了成本,提高了成品率。同时采用选择性湿法刻蚀工艺,特别是InSb-Au欧姆接触膜层的选择性刻蚀工艺制作电极。工艺成品率达到60%以上。用该InSb薄膜开发了3个品种13个规格的InSb霍尔元件,并进行批量生产。
    (4)在新型气湿敏超细粉料的研制方面,通过攻关,开发了Zr02-Y20,湿敏材料和NaSiCON固体电解质材料,应用这些材料,研制了400C的高温湿度传感器和平面内加热式C02气敏元件。
    (5)化学腐蚀、电化学腐蚀、Si-Si键合等微机械加212/12艺在传感器批量生产中得到应用。成功地应用于10kPa~60MPa传感器的批量生产中,腐蚀硅膜片的最小厚度达到10/tm,精度控制在10%之内。目前,沈阳仪器仪表工艺研究所扩散硅压力传感器的敏感膜片全部由精密化学腐蚀、大片静电封接、硅-硅键合等MEMS工艺完成。腐蚀和封接工艺的成品率达75%.在国内首次实现了扩散硅压力传感器用微机械加TT
艺进行批量生产。
    (6)通过传感器可靠性技术研究,完成了传感器综合应力试验,制定了综合应力试验的技术规范,使PTC、NTC热敏电阻、扩散硅压力传感器、InSb霍尔元件的可靠性寿命试验时间由1年左右缩短到1~2个月,可靠性试验技术有了较大的提高。通过可靠性增长技术研究,使企业批量生产的DL93、SG75扩散硅压力传感器、石英谐振称重传感器、PTC热敏电阻、NTC热敏电阻、InSb霍尔元件、a-Fe203气敏元件、廉价湿度传感器的可靠性指标提高1--2个数量级。
5  结束语
    可以看出,""九五""传感器科技攻关面向市场需求,面向经济建设需要,在提高我国传感器的技术水平和产业化程度方面取得了较大成绩,起到了科技成果产业化的孵化器的作用,促进了我国传感器技术水平的提高,加快了科技成果产业化的进程。
    21世纪,人类全面进入信息电子化的时代。敏感元件及传感器是信息系统的关键基础元器件。微电子和微机械加工等先进制造技术的使用,使传感器技术迅速发展。与传统的传感器相比,最新一代敏感元件及传感器的突出特征是数字化、智能化、阵列化、微小型化和微系统化。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感器技术,将是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。因此我们必须重视传感器技术的发展,加快产业化的进程。

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