中國傳感器設計與制造技術的發展歷程

作者： 2021年01月29日來源：瀏覽量：

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中國傳感器的發展走過了一段極不平坦之路：從無到有、從有到全、全而不大、多而不強;成績很大、問題不少、進步卓然、崎嶇不凡。對傳感器的認識上基本趨于一致，轉變了“造船不如買船、買船不

　　中國傳感器的發展走過了一段極不平坦之路：從無到有、從有到全、全而不大、多而不強;成績很大、問題不少、進步卓然、崎嶇不凡。對傳感器的認識上基本趨于一致，轉變了“造船不如買船、買船不如租船”的思維模式，從“市場換技術”的迷霧中走出，相信“科技創新的主體在企業”這些觀點。

　　在20世紀30年代，主要是機械式傳感器。到20世紀50年代，傳感器大部分采用機電結構，出現分立式傳感器。到70年代，隨著微電子技術的發展，如IC工藝的引入，應用MEMS技術，出現MEMS傳感器。80年代，片上集成工藝的引入，推出單片集成傳感器。

　　到90年代，采用無線通信和低功耗技術，發展出WSN無線傳感器;計算機技術、通信技術、大規模集成電路制造技術在傳感技術中的應用，出現了智能傳感器。

　　傳感器技術發展歷程

　　1.中國傳感器設計技術的發展歷程

　　我國傳感器的設計經歷了仿制、自主設計到初始創新的階段。CAD技術的應用為自主設計和創新提供了有力的工具。

　　利用I-deas和Vaild支撐軟件，開展了硅杯的力學分析，開發芯片版圖、芯體結構、結構設計等應用軟件和溫度補償軟件，設計了產品。但由于軟件平臺的局限性，不能進行非線性修正。

　　“九五”期間，以Ansys軟件為分析平臺，建立了方杯、單杯、雙島、單島、梁膜型傳感器、應變式力傳感器的參數化模型和力學分析，設計出新型傳感器。在研制中得到應用和驗證。

　　開展了力敏器件平面工藝模擬，確定關鍵制造工藝(擴散、離子注入、化學腐蝕)的特征參數。

　　專業MEMS設計軟件IntelliSuite問世。20世紀90年代IntelliSense公司(江蘇南京英特神思科技有限公司)推山了專業MEMS設計軟件：IntelliSuite。供客戶做各類MEMS器件的設計研發，包括版圖設計，工藝設計仿真，器件級多物理場耦合分析，以及系統級MEMS-IC聯合仿真。己有專業的MEMS設計軟件、設計團隊以及一條專業MEMS生產線，可以為客戶提供各類MEMS慣性器件芯片，RFMEMS器件芯片，MEMS傳感器執行器芯片以及微流控芯片的設計加工等一站式解決方案。該設計軟件提供了器件級設計、工藝級設計、系統級設計。

　　但專業MEMS設計軟件IntelliSuite,存在諸多問題：可靠性有待進一步提高，成功的應用案例不多、數據庫尚須充實、價格昂貴普遍推廣不易。

　　智能傳感器的設計有所起步。目前尚未看到成熟的案例和專業設計軟件，但國家(科技部)在這方而已有投資和安排，首先解決IC+MEMS的相融問題，在2015年度國家商技術研究發展計劃(863計劃)項目申報指南“先進制造技術領域”中，下設3個研究方向，執行期限3年。目前項目己到期，但實際結果并不理想。

　　(1)與集成電路設計兼容的MEMS設計技術

　　針對MEMS與IC集成化發展的趨勢，以IC設計工具環境為摧礎，突破MEMS器件、系統、工藝級建模、模擬、優化等關鍵技術，解決MEMS與IC協同設汁，建立MEMS器件庫和相應的驅動檢測電路庫，形成不少于5個經過生產線驗證的集成化MEMS單元庫，提高MEMS與IC的IP庫復用能力。

　　(2)與CMOS工藝兼容的MEMS制造與驗證平臺

　　針對單片集成MEMS批量化制造發展需求，以150mm或以上CMOS工藝線為基礎，突破與CMOS工藝兼容的MEMS表面加工、體加工、硅-砝直接鍵合等關鍵技術，解決MEMS與IC兼容制造問題，建立不少于3套的CMOS-MEMS標準化制程，形成工藝規范，能夠提供多用戶項H(MPW)服務，完成不少于3種島性能CMOS-MEMS產品的規模化生產，實現產值1000萬元以上。

　　(3)與集成電路封裝兼容的MEMS封測技術

　　針對MEMS產品集成化、批量化封測技術的發展需求，以集成電路封裝生產線為基礎，突破MEMS圓片級封裝、基于TSV的三維封測等關鍵技術，解決MEMS與IC集成批量化封測問題，形成封裝技術規范，完成不少于3種高端MEMS產品的批量化封裝。

　　智能傳感器設計需考慮下列問題：系統構成、信號處理方法、結構設計、性能設計、低功耗設計、電源模塊、軟件工具開發等問題。

　　2.中國傳感器工藝技術的發展歷程

　　(1)平面工藝

　　“六五”研制擴散硅力敏傳感器時，采用10mm X 10mm的硅片進行單件擴散，硅杯研磨。

　　“七五”攻關解決了2英寸硅片的芯片制備工藝，擴散工藝制備阻條，研制了硅杯研磨的專用設備。

　　“八五”攻關解決了3英寸硅片的芯片制備工藝，采用離子注入工藝制備應變阻條，并開發了大片硅杯研磨機、大片靜電封接機、硅油充灌機等專用工藝裝備。

　　“九五”攻關解決了4英寸硅片的制備工藝，實現了4英寸硅片工藝生產。開發穩定性和免補償工藝技術，使硅力敏傳感器的可補性、穩定性、一致性大幅度提高，短期穩定性達到5pV/100h,長期穩定性達到0.1%FS。

　　(2)厚膜工藝

　　厚膜工藝在敏感元件和傳感器的研制和生產中得到了普遍應用。在厚膜型敏感元件和傳感器的制備中，主要解決超細粉料制備、敏感漿料配制、燒結工藝和包封等關鍵技術。

　　在攻關中，重慶儀表材料所和中科院合肥智能所等單位率先研制成功厚膜鉑電阻和厚膜壓力傳感器，并進行了小批量生產。又進行了厚膜鉑電阻和厚膜壓力傳感器工程化研究，解決了可靠性，穩定性工藝和批量生產技術，實現了批量生產。

　　(3)超細粉料制備工藝

　　進行了超細粉料制備工藝的研究。采用化學共沉、溶膠一凝膠等超細粉料制備工藝，合成了低阻SnO2敏感材料和超細a—Fe2O3粉料，粉料粒度達到納米級水平。開發了新型NASICON固體電介質材料，制備高溫C02氣體傳感器。

　　在混料球磨、造粒成型及高溫燒結等工藝方面有所突破。研制成功了NTC、PTC熱敏電阻，并開展了小型化、片式化和可靠性工藝的研究。

　　通過工程化攻關，在突破了材料制備、成型和性能一致性工藝之后，超小型NTC熱敏電阻、過載保護用PTC熱敏電阻和a—Fe203可燃氣體傳感器實現產業化生產。

　　(4)微機械加工工藝

　　“八五”攻關，上海冶金所(現為上海微系統與信息技術研究所)等單位開發了厚度可控單晶硅膜制造技術、硅固相鍵合技術、硅表面多層膜加工技術、反應離子深刻蝕技術。開發了微型壓力、加速度等新型傳感器。

　　“九五”攻關，由復旦大學發明的“硅三維無掩膜腐蝕工藝”為國際首創微機械加工新工藝，獲得了發明專利。

　　沈陽儀器儀表工藝研究所(行業上稱為“沈工所”現為沈陽儀表科學研究院有限公司)等申.位開展了微機械加工應用研究，應用在硅傳感器的生產，使每一4英寸硅片能夠加工1000多個敏感元件，芯片的成品率達到80%。

　　硅多層結構的無掩膜腐蝕工藝為國際首創。解決了采相一次掩膜技術形成三維多層微機械結構的丄藝，層差控制精度為4um,轉移平面的平整度優于1um,獲得1項發明專利。專利號為：ZL97106555.1國際專利組分類號：C23F1/32。

　　(5)智能芯片制造工藝

　　以下這些智能芯片制造工藝尚在考慮和研發之中：

　　通過CMOS邏輯電路與MEMS傳感器的工藝集成，吋以實現兩者之間的優勢互補，優化信噪比、減小器件尺寸、降低成本。針對智能傳感器、生物醫療和消費類電子等市場大、方向明的應需求，通過建設多樣化的MEMS-CMOS兼容工藝和尖端技術平臺，括選通陣列MEMS-CMOS兼容制造工藝、CMOS兼容熱泡工藝及與壓電工藝集成、低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝等，實現高集成、低成本的面向未來的MEMS晶圓制造。

　　①與CMOS兼容的MEMS陣列器件制造技術

　　MEMS陣列傳感器娃重要的器件構型，在成像領域有廣泛應用，包括紅外、指紋、超聲成像傳感器等;MEMS陣列單元的CMOS選通電路與MEMS結構的兼容制造工藝成為關鍵共性技術之一。

　　針對多路MEMS傳感器如陣列式MEMS傳感器，或者是集成化多路輸出MEMS傳感器的多信號選擇特性幵關。采用MOS開關工藝、多路復用器工藝以及MEMS編碼技術對每個MEMS傳感器信號進行選址和通訊，實現智能化的傳感器信號輸出。通過研究MEMS陣列式傳感器的輸出/驅動特性、陣列選通特性、MEMS材料/工藝的CMOS工藝兼容性，開發低噪聲高速MOS管開關陣列、高增益模擬前端MEMS 互聯放大電路，形成CMOS兼容MEMS陣列器件制造技術規范，為髙集成度、直至單片集成MEMS陣列器件產品提供技術支持和技術轉化服務。

　　②與CMOS兼容熱泡工藝與壓電工藝集成

　　MEMS微流體技術是即時醫療檢測及生物醫療，藥物研發的核心技術，建立下一代智能微流體柔性工藝平臺是生物醫療創新研發的基礎，市場潛力十分巨大。

　　通過研究兼容熱泡-壓電工藝的CMOS-MEMS智能微流體芯片，攻克晶圓PZT微納加工、高效率微流體結構加工等關鍵技術，為CMOS-MEMS集成的微流體智能芯片的研發與推廣解決核心部件，提供根本支撐。

　　③低阻表面硅慣性MEMS-GMOS集成工藝

　　實現低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝的開發，縮小和彌補國內慣性傳感器技術水平在加工工藝和大規模制造技術上的差距，提升國內相關慣性器件領域的產業化水平。重點研究厚多晶硅外延工藝、高深寬比硅刻蝕工藝、c-SOI工藝、HF氣相腐蝕工藝對CMOS電路兼容性的影響，設計雙載波低阻前置放大器檢測電路，重點研宄放大器MOS管參數，并開發出0.18um/0.15um/0.13um帶EEPORM的混合信號工藝，包含微小電容/電阻檢測電路、信號放大及模數轉換電路、EEPORM校驗電路及數字接口電路，形成低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝設計和制造規范。

　　3.中國傳感器可靠性技術的發展歷程

　　在傳感技術發展過程中，傳感器產品的可靠性十分重要，進行了10個規格產品的可靠性技術研究。

　　“八五“期間，主要做了下列傳感器產品的可靠性試驗工作：

　　——力敏元件及傳感器的可靠性試驗，包括電阻應變式力敏元件和電阯應變式力傳感器可靠性試驗、硅壓阻式力敏元件及硅壓阻式壓力傳感器的可靠性試驗；

　　——熱敏元件和溫度傳感器的可靠性試驗，包括NTC和PTC熱敏電阻器；

　　——光敏元件及光傳感器可靠性試驗，包括地而用晶體硅光伏電池、光敏電阯；

　　——磁敏元件及磁傳感器可靠性試驗，包括硅霍爾元件、砷化鎵霍爾元件、單品體型InSb磁敏電阯；

　　一一濕敏元件可靠性試驗，以陶瓷濕敏電阯器為研究對象；

　　——氣敏元件及可靠性試驗；

　　——離子敏元件及可靠性試驗。

　　通過對產品的可靠性試驗、篩選、分析、數據處理、可靠性設計和制造技術研究，完成了產品的壽命試驗、失效機理、失效模式分析，建立了可靠性增長模型，使PN結傳感器、PTC熱敏電阻、擴散硅壓力傳感器、硅霍爾元件、應變式力傳感器、石英諧振稱重傳感器、NTC熱敏電阯，InSb霍爾元件、廉價濕度傳感a-Fe2〇3氣敏元件實現了可靠性等級增長I?2級的目標。進行了可靠性綜合應力試驗研究，使傳感器可靠性試驗時間由一年左右縮短為幾個月。

　　4.中國傳感器專用工藝裝備的發展歷程

　　傳感器的產品開發過程中，離不開工藝裝備的研究。在注重產品和工藝開發的同時，注重了工藝裝備的開發，代表性的是擴散硅傳感器工藝裝備的開發。

　　面對國外對我國擴散硅傳感器關鍵工藝裝備的封鎖，我國科技人員運用計算機技術、自動化技術、精密機械技術，獨立開發了劃片機、硅杯研磨機、靜電封接機、大片硅杯自動研磨機、大片靜電封接機、硅油充灌機、化學和電化學腐蝕設備、帶油封裝焊接機、芯片自動測試儀、溫度補償和標定裝置等硅傳感器生產的專用設備，提高了制造工藝的一致性和生產效率，并在行業中推廣。

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