我國傳感器的設(shè)計經(jīng)歷了仿制、自主設(shè)計到初始創(chuàng)新的階段。

中國傳感器的發(fā)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(rèn)識上基本趨于一致，轉(zhuǎn)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(shù)”的迷霧中走出，相信“科技創(chuàng)新的主體在企業(yè)”這些觀點。

在20世紀(jì)30年代，主要是機械式傳感器。到20世紀(jì)50年代，傳感器大部分采用機電結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)分立式傳感器。到70年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，如IC工藝的引入，應(yīng)用MEMS技術(shù)，出現(xiàn)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(shù)，發(fā)展出WSN無線傳感器;計算機技術(shù)、通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)在傳感技術(shù)中的應(yīng)用，出現(xiàn)了智能傳感器。

傳感器技術(shù)發(fā)展歷程

1.中國傳感器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展歷程

我國傳感器的設(shè)計經(jīng)歷了仿制、自主設(shè)計到初始創(chuàng)新的階段。CAD技術(shù)的應(yīng)用為自主設(shè)計和創(chuàng)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(xué)分析，開發(fā)芯片版圖、芯體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等應(yīng)用軟件和溫度補償軟件，設(shè)計了產(chǎn)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(yīng)變式力傳感器的參數(shù)化模型和力學(xué)分析，設(shè)計出新型傳感器。在研制中得到應(yīng)用和驗證。

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

專業(yè)MEMS設(shè)計軟件IntelliSuite問世。20世紀(jì)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(yè)MEMS設(shè)計軟件：IntelliSuite。供客戶做各類MEMS器件的設(shè)計研發(fā)，包括版圖設(shè)計，工藝設(shè)計仿真，器件級多物理場耦合分析，以及系統(tǒng)級MEMS-IC聯(lián)合仿真。己有專業(yè)的MEMS設(shè)計軟件、設(shè)計團隊以及一條專業(yè)MEMS生產(chǎn)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(zhí)行器芯片以及微流控芯片的設(shè)計加工等一站式解決方案。該設(shè)計軟件提供了器件級設(shè)計、工藝級設(shè)計、系統(tǒng)級設(shè)計。

但專業(yè)MEMS設(shè)計軟件IntelliSuite,存在諸多問題：可靠性有待進一步提高，成功的應(yīng)用案例不多、數(shù)據(jù)庫尚須充實、價格昂貴普遍推廣不易。

智能傳感器的設(shè)計有所起步。目前尚未看到成熟的案例和專業(yè)設(shè)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(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目申報指南“先進制造技術(shù)領(lǐng)域”中，下設(shè)3個研究方向，執(zhí)行期限3年。目前項目己到期，但實際結(jié)果并不理想。

(1)與集成電路設(shè)計兼容的MEMS設(shè)計技術(shù)

針對MEMS與IC集成化發(fā)展的趨勢，以IC設(shè)計工具環(huán)境為摧礎(chǔ)，突破MEMS器件、系統(tǒng)、工藝級建模、模擬、優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，解決MEMS與IC協(xié)同設(shè)汁，建立MEMS器件庫和相應(yīng)的驅(qū)動檢測電路庫，形成不少于5個經(jīng)過生產(chǎn)線驗證的集成化MEMS單元庫，提高MEMS與IC的IP庫復(fù)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(fā)展需求，以150mm或以上CMOS工藝線為基礎(chǔ)，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(guān)鍵技術(shù)，解決MEMS與IC兼容制造問題，建立不少于3套的CMOS-MEMS標(biāo)準(zhǔn)化制程，形成工藝規(guī)范，能夠提供多用戶項H(MPW)服務(wù)，完成不少于3種島性能CMOS-MEMS產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)值1000萬元以上。

(3)與集成電路封裝兼容的MEMS封測技術(shù)

針對MEMS產(chǎn)品集成化、批量化封測技術(shù)的發(fā)展需求，以集成電路封裝生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，突破MEMS圓片級封裝、基于TSV的三維封測等關(guān)鍵技術(shù)，解決MEMS與IC集成批量化封測問題，形成封裝技術(shù)規(guī)范，完成不少于3種高端MEMS產(chǎn)品的批量化封裝。

智能傳感器設(shè)計需考慮下列問題：系統(tǒng)構(gòu)成、信號處理方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能設(shè)計、低功耗設(shè)計、電源模塊、軟件工具開發(fā)等問題。

2.中國傳感器工藝技術(shù)的發(fā)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(guān)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(shè)備。

“八五”攻關(guān)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(yīng)變阻條，并開發(fā)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(guān)解決了4英寸硅片的制備工藝，實現(xiàn)了4英寸硅片工藝生產(chǎn)。開發(fā)穩(wěn)定性和免補償工藝技術(shù)，使硅力敏傳感器的可補性、穩(wěn)定性、一致性大幅度提高，短期穩(wěn)定性達到5pV/100h,長期穩(wěn)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(chǎn)中得到了普遍應(yīng)用。在厚膜型敏感元件和傳感器的制備中，主要解決超細(xì)粉料制備、敏感漿料配制、燒結(jié)工藝和包封等關(guān)鍵技術(shù)。

在攻關(guān)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(chǎn)。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(wěn)定性工藝和批量生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

(3)超細(xì)粉料制備工藝

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

在混料球磨、造粒成型及高溫?zé)Y(jié)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(guān)，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?xì)怏w傳感器實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

(4)微機械加工工藝

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

“九五”攻關(guān)，由復(fù)旦大學(xué)發(fā)明的“硅三維無掩膜腐蝕工藝”為國際首創(chuàng)微機械加工新工藝，獲得了發(fā)明專利。

沈陽儀器儀表工藝研究所(行業(yè)上稱為“沈工所”現(xiàn)為沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司)等申.位開展了微機械加工應(yīng)用研究，應(yīng)用在硅傳感器的生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)的無掩膜腐蝕工藝為國際首創(chuàng)。解決了采相一次掩膜技術(shù)形成三維多層微機械結(jié)構(gòu)的丄藝，層差控制精度為4um,轉(zhuǎn)移平面的平整度優(yōu)于1um,獲得1項發(fā)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(fā)之中：

通過CMOS邏輯電路與MEMS傳感器的工藝集成，吋以實現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢互補，優(yōu)化信噪比、減小器件尺寸、降低成本。針對智能傳感器、生物醫(yī)療和消費類電子等市場大、方向明的應(yīng)需求，通過建設(shè)多樣化的MEMS-CMOS兼容工藝和尖端技術(shù)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(xiàn)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(shù)

MEMS陣列傳感器娃重要的器件構(gòu)型，在成像領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)的兼容制造工藝成為關(guān)鍵共性技術(shù)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(guān)。采用MOS開關(guān)工藝、多路復(fù)用器工藝以及MEMS編碼技術(shù)對每個MEMS傳感器信號進行選址和通訊，實現(xiàn)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(qū)動特性、陣列選通特性、MEMS材料/工藝的CMOS工藝兼容性，開發(fā)低噪聲高速MOS管開關(guān)陣列、高增益模擬前端MEMS 互聯(lián)放大電路，形成CMOS兼容MEMS陣列器件制造技術(shù)規(guī)范，為髙集成度、直至單片集成MEMS陣列器件產(chǎn)品提供技術(shù)支持和技術(shù)轉(zhuǎn)化服務(wù)。

②與CMOS兼容熱泡工藝與壓電工藝集成

MEMS微流體技術(shù)是即時醫(yī)療檢測及生物醫(yī)療，藥物研發(fā)的核心技術(shù)，建立下一代智能微流體柔性工藝平臺是生物醫(yī)療創(chuàng)新研發(fā)的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)加工等關(guān)鍵技術(shù)，為CMOS-MEMS集成的微流體智能芯片的研發(fā)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(xiàn)低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝的開發(fā)，縮小和彌補國內(nèi)慣性傳感器技術(shù)水平在加工工藝和大規(guī)模制造技術(shù)上的差距，提升國內(nèi)相關(guān)慣性器件領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)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(shè)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(shù)，并開發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)換電路、EEPORM校驗電路及數(shù)字接口電路，形成低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝設(shè)計和制造規(guī)范。

3.中國傳感器可靠性技術(shù)的發(fā)展歷程

在傳感技術(shù)發(fā)展過程中，傳感器產(chǎn)品的可靠性十分重要，進行了10個規(guī)格產(chǎn)品的可靠性技術(shù)研究。

“八五“期間，主要做了下列傳感器產(chǎn)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(yīng)變式力敏元件和電阯應(yīng)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(chǎn)品的可靠性試驗、篩選、分析、數(shù)據(jù)處理、可靠性設(shè)計和制造技術(shù)研究，完成了產(chǎn)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(jié)傳感器、PTC熱敏電阻、擴散硅壓力傳感器、硅霍爾元件、應(yīng)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(xiàn)了可靠性等級增長I?2級的目標(biāo)。進行了可靠性綜合應(yīng)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(fā)展歷程

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

面對國外對我國擴散硅傳感器關(guān)鍵工藝裝備的封鎖，我國科技人員運用計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、精密機械技術(shù)，獨立開發(fā)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(xué)和電化學(xué)腐蝕設(shè)備、帶油封裝焊接機、芯片自動測試儀、溫度補償和標(biāo)定裝置等硅傳感器生產(chǎn)的專用設(shè)備，提高了制造工藝的一致性和生產(chǎn)效率，并在行業(yè)中推廣。

編輯：hfy