中國(guó)傳感器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展歷程

　　中國(guó)傳感器的發(fā)展走過(guò)了一段極不平坦之路：從無(wú)到有、從有到全、全而不大、多而不強(qiáng);成績(jī)很大、問(wèn)題不少、進(jìn)步卓然、崎嶇不凡。對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)上基本趨于一致，轉(zhuǎn)變了“造船不如買(mǎi)船、買(mǎi)船不如租船”的思維模式，從“市場(chǎng)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(diǎn)。
 

　　在20世紀(jì)30年代，主要是機(jī)械式傳感器。到20世紀(jì)50年代，傳感器大部分采用機(jī)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(wú)線通信和低功耗技術(shù)，發(fā)展出WSN無(wú)線傳感器;計(jì)算機(jī)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(guó)傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程
 

　　我國(guó)傳感器的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了仿制、自主設(shè)計(jì)到初始創(chuàng)新的階段。CAD技術(shù)的應(yīng)用為自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供了有力的工具。
 

　　利用I-deas和Vaild支撐軟件，開(kāi)展了硅杯的力學(xué)分析，開(kāi)發(fā)芯片版圖、芯體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等應(yīng)用軟件和溫度補(bǔ)償軟件，設(shè)計(jì)了產(chǎn)品。但由于軟件平臺(tái)的局限性，不能進(jìn)行非線性修正。
 

　　“九五”期間，以Ansys軟件為分析平臺(tái)，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(jì)出新型傳感器。在研制中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。
 

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

　　專業(yè)MEMS設(shè)計(jì)軟件IntelliSuite問(wèn)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(jì)軟件：IntelliSuite。供客戶做各類MEMS器件的設(shè)計(jì)研發(fā)，包括版圖設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)仿真，器件級(jí)多物理場(chǎng)耦合分析，以及系統(tǒng)級(jí)MEMS-IC聯(lián)合仿真。己有專業(yè)的MEMS設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)加工等一站式解決方案。該設(shè)計(jì)軟件提供了器件級(jí)設(shè)計(jì)、工藝級(jí)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。
 

　　但專業(yè)MEMS設(shè)計(jì)軟件IntelliSuite,存在諸多問(wèn)題：可靠性有待進(jìn)一步提高，成功的應(yīng)用案例不多、數(shù)據(jù)庫(kù)尚須充實(shí)、價(jià)格昂貴普遍推廣不易。
 

　　智能傳感器的設(shè)計(jì)有所起步。目前尚未看到成熟的案例和專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，但國(guó)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(wèn)題，在2015年度國(guó)家商技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目申報(bào)指南“先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域”中，下設(shè)3個(gè)研究方向，執(zhí)行期限3年。目前項(xiàng)目己到期，但實(shí)際結(jié)果并不理想。
 

　　(1)與集成電路設(shè)計(jì)兼容的MEMS設(shè)計(jì)技術(shù)
 

　　針對(duì)MEMS與IC集成化發(fā)展的趨勢(shì)，以IC設(shè)計(jì)工具環(huán)境為摧礎(chǔ)，突破MEMS器件、系統(tǒng)、工藝級(jí)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(kù)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路庫(kù)，形成不少于5個(gè)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)線驗(yàn)證的集成化MEMS單元庫(kù)，提高M(jìn)EMS與IC的IP庫(kù)復(fù)用能力。
 

　　(2)與CMOS工藝兼容的MEMS制造與驗(yàn)證平臺(tái)
 

　　針對(duì)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(wèn)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1000萬(wàn)元以上。
 

　　(3)與集成電路封裝兼容的MEMS封測(cè)技術(shù)
 

　　針對(duì)MEMS產(chǎn)品集成化、批量化封測(cè)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(jí)封裝、基于TSV的三維封測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，解決MEMS與IC集成批量化封測(cè)問(wèn)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(jì)需考慮下列問(wèn)題：系統(tǒng)構(gòu)成、信號(hào)處理方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、電源模塊、軟件工具開(kāi)發(fā)等問(wèn)題。
 

　　2.中國(guó)傳感器工藝技術(shù)的發(fā)展歷程
 

　　(1)平面工藝
 

　　“六五”研制擴(kuò)散硅力敏傳感器時(shí)，采用10mm X 10mm的硅片進(jìn)行單件擴(kuò)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(kuò)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(kāi)發(fā)了大片硅杯研磨機(jī)、大片靜電封接機(jī)、硅油充灌機(jī)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(shí)現(xiàn)了4英寸硅片工藝生產(chǎn)。開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性和免補(bǔ)償工藝技術(shù)，使硅力敏傳感器的可補(bǔ)性、穩(wěn)定性、一致性大幅度提高，短期穩(wěn)定性達(dá)到5pV/100h,長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)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(jìn)行了小批量生產(chǎn)。又進(jìn)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(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。
 

　　(3)超細(xì)粉料制備工藝
 

　　進(jìn)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(dá)到納米級(jí)水平。開(kāi)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(kāi)展了小型化、片式化和可靠性工藝的研究。
 

　　通過(guò)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(guò)載保護(hù)用PTC熱敏電阻和a—Fe203可燃?xì)怏w傳感器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
 

　　(4)微機(jī)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(kāi)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(kāi)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(wú)掩膜腐蝕工藝”為國(guó)際首創(chuàng)微機(jī)械加工新工藝，獲得了發(fā)明專利。
 

　　沈陽(yáng)儀器儀表工藝研究所(行業(yè)上稱為“沈工所”現(xiàn)為沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司)等申.位開(kāi)展了微機(jī)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(gè)敏感元件，芯片的成品率達(dá)到80%。
 

　　硅多層結(jié)構(gòu)的無(wú)掩膜腐蝕工藝為國(guó)際首創(chuàng)。解決了采相一次掩膜技術(shù)形成三維多層微機(jī)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(xiàng)發(fā)明專利。專利號(hào)為：ZL97106555.1國(guó)際專利組分類號(hào)：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(guò)CMOS邏輯電路與MEMS傳感器的工藝集成，吋以實(shí)現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，優(yōu)化信噪比、減小器件尺寸、降低成本。針對(duì)智能傳感器、生物醫(yī)療和消費(fèi)類電子等市場(chǎng)大、方向明的應(yīng)需求，通過(guò)建設(shè)多樣化的MEMS-CMOS兼容工藝和尖端技術(shù)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)高集成、低成本的面向未來(lái)的MEMS晶圓制造。
 

　?、倥cCMOS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(duì)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(hào)選擇特性幵關(guān)。采用MOS開(kāi)關(guān)工藝、多路復(fù)用器工藝以及MEMS編碼技術(shù)對(duì)每個(gè)MEMS傳感器信號(hào)進(jìn)行選址和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化的傳感器信號(hào)輸出。通過(guò)研究MEMS陣列式傳感器的輸出/驅(qū)動(dòng)特性、陣列選通特性、MEMS材料/工藝的CMOS工藝兼容性，開(kāi)發(fā)低噪聲高速M(fèi)OS管開(kāi)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)。
 

　?、谂cCMOS兼容熱泡工藝與壓電工藝集成
 

　　MEMS微流體技術(shù)是即時(shí)醫(yī)療檢測(cè)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(tái)是生物醫(yī)療創(chuàng)新研發(fā)的基礎(chǔ)，市場(chǎng)潛力十分巨大。
 

　　通過(guò)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。
 

　?、鄣妥璞砻婀钁T性MEMS-GMOS集成工藝
 

　　實(shí)現(xiàn)低阻表面硅慣性MEMS-CMOS集成工藝的開(kāi)發(fā)，縮小和彌補(bǔ)國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)慣性器件領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化水平。重點(diǎn)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(duì)CMOS電路兼容性的影響，設(shè)計(jì)雙載波低阻前置放大器檢測(cè)電路，重點(diǎn)研宄放大器MOS管參數(shù)，并開(kāi)發(fā)出0.18um/0.15um/0.13um帶EEPORM的混合信號(hào)工藝，包含微小電容/電阻檢測(cè)電路、信號(hào)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、EEPORM校驗(yàn)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(jì)和制造規(guī)范。
 

　　3.中國(guó)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(guò)程中，傳感器產(chǎn)品的可靠性十分重要，進(jìn)行了10個(gè)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(yàn)工作：
 

　　——力敏元件及傳感器的可靠性試驗(yàn)，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(yàn)、硅壓阻式力敏元件及硅壓阻式壓力傳感器的可靠性試驗(yàn)；
 

　　——熱敏元件和溫度傳感器的可靠性試驗(yàn)，包括NTC和PTC熱敏電阻器；
 

　　——光敏元件及光傳感器可靠性試驗(yàn)，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(yàn)，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(yàn)，以陶瓷濕敏電阯器為研究對(duì)象；
 

　　——?dú)饷粼翱煽啃栽囼?yàn)；
 

　　——離子敏元件及可靠性試驗(yàn)。
 

　　通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)、篩選、分析、數(shù)據(jù)處理、可靠性設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究，完成了產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)、失效機(jī)理、失效模式分析，建立了可靠性增長(zhǎng)模型，使PN結(jié)傳感器、PTC熱敏電阻、擴(kuò)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(jià)濕度傳感a-Fe2〇3氣敏元件實(shí)現(xiàn)了可靠性等級(jí)增長(zhǎng)I?2級(jí)的目標(biāo)。進(jìn)行了可靠性綜合應(yīng)力試驗(yàn)研究，使傳感器可靠性試驗(yàn)時(shí)間由一年左右縮短為幾個(gè)月。
 

　　4.中國(guó)傳感器專用工藝裝備的發(fā)展歷程
 

　　傳感器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，離不開(kāi)工藝裝備的研究。在注重產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重了工藝裝備的開(kāi)發(fā)，代表性的是擴(kuò)散硅傳感器工藝裝備的開(kāi)發(fā)。
 

　　面對(duì)國(guó)外對(duì)我國(guó)擴(kuò)散硅傳感器關(guān)鍵工藝裝備的封鎖，我國(guó)科技人員運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)，獨(dú)立開(kāi)發(fā)了劃片機(jī)、硅杯研磨機(jī)、靜電封接機(jī)、大片硅杯自動(dòng)研磨機(jī)、大片靜電封接機(jī)、硅油充灌機(jī)、化學(xué)和電化學(xué)腐蝕設(shè)備、帶油封裝焊接機(jī)、芯片自動(dòng)測(cè)試儀、溫度補(bǔ)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。