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从机电到MEMS,一文看懂中国传感器设计与制造技术的发展历程

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从机电到MEMS,一文看懂中国传感器设计与制造技术的发展历程

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从机电到MEMS,一文看懂中国传感器设计与制造技术的发展历程

 

中国传感器的发展走过了一段极不平坦之路:从无到有、从有到全、全而不大、多而不强;成绩很大、问题不少、进步卓然、崎岖不凡。对传感器的认识上基本趋于一致,转变了“造船不如买船、买船不如租船”的思维模式,从“市场换技术”的迷雾中走出,相信“科技创新的主体在企业”这些观点。

在20世纪30年代,主要是机械式传感器。到20世纪50年代,传感器大部分采用机电结构,出现分立式传感器。到70年代,随着微电子技术的发展,如IC工艺的引入,应用MEMS技术,出现MEMS传感器。80年代,片上集成工艺的引入,推出单片集成传感器。

到90年代,采用无线通信和低功耗技术,发展出WSN无线传感器;计算机技术、通信技术、大规模集成电路制造技术在传感技术中的应用,出现了智能传感器。

传感器技术发展历程

 1.中国传感器设计技术的发展历程

我国传感器的设计经历了仿制、自主设计到初始创新的阶段。CAD技术的应用为自主设计和创新提供了有力的工具。

利用I-deas和Vaild支撑软件,开展了硅杯的力学分析,开发芯片版图、芯体结构、结构设计等应用软件和温度补偿软件,设计了产品。但由于软件平台的局限性,不能进行非线性修正。

“九五”期间,以Ansys软件为分析平台,建立了方杯、单杯、双岛、单岛、梁膜型传感器、应变式力传感器的参数化模型和力学分析,设计出新型传感器。在研制中得到应用和验证。

开展了力敏器件平面工艺模拟,确定关键制造工艺(扩散、离子注入、化学腐蚀)的特征参数。

专业MEMS设计软件IntelliSuite问世。20世纪90年代IntelliSense公司(江苏南京英特神思科技有限公司)推山了专业MEMS设计软件:IntelliSuite。供客户做各类MEMS器件的设计研发,包括版图设计,工艺设计仿真,器件级多物理场耦合分析,以及系统级MEMS-IC联合仿真。己有专业的MEMS设计软件、设计团队以及一条专业MEMS生产线,可以为客户提供各类MEMS惯性器件芯片,RFMEMS器件芯片,MEMS传感器执行器芯片以及微流控芯片的设计加工等一站式解决方案。该设计软件提供了器件级设计、工艺级设计、系统级设计。

但专业MEMS设计软件IntelliSuite,存在诸多问题:可靠性有待进一步提高,成功的应用案例不多、数据库尚须充实、价格昂贵普遍推广不易。

智能传感器的设计有所起步。目前尚未看到成熟的案例和专业设计软件,但国家(科技部)在这方而已有投资和安排,首先解决IC+MEMS的相融问题,在2015年度国家商技术研究发展计划(863计划)项目申报指南“先进制造技术领域”中,下设3个研究方向,执行期限3年。目前项目己到期,但实际结果并不理想。

(1)与集成电路设计兼容的MEMS设计技术

针对MEMS与IC集成化发展的趋势,以IC设计工具环境为摧础,突破MEMS器件、系统、工艺级建模、模拟、优化等关键技术,解决MEMS与IC协同设汁,建立MEMS器件库和相应的驱动检测电路库,形成不少于5个经过生产线验证的集成化MEMS单元库,提高MEMS与IC的IP库复用能力。

 (2)与CMOS工艺兼容的MEMS制造与验证平台

针对单片集成MEMS批量化制造发展需求,以150mm或以上CMOS工艺线为基础,突破与CMOS工艺兼容的MEMS表面加工、体加工、硅-砝直接键合等关键技术,解决MEMS与IC兼容制造问题,建立不少于3套的CMOS-MEMS标准化制程,形成工艺规范,能够提供多用户项H(MPW)服务,完成不少于3种岛性能CMOS-MEMS产品的规模化生产,实现产值1000万元以上。

(3)与集成电路封装兼容的MEMS封测技术

针对MEMS产品集成化、批量化封测技术的发展需求,以集成电路封装生产线为基础,突破MEMS圆片级封装、基于TSV的三维封测等关键技术,解决MEMS与IC集成批量化封测问题,形成封装技术规范,完成不少于3种高端MEMS产品的批量化封装。

智能传感器设计需考虑下列问题:系统构成、信号处理方法、结构设计、性能设计、低功耗设计、电源模块、软件工具开发等问题。

2.中国传感器工艺技术的发展历程

 (1)平面工艺

“六五”研制扩散硅力敏传感器时,采用10mm X 10mm的硅片进行单件扩散,硅杯研磨。

“七五”攻关解决了2英寸硅片的芯片制备工艺,扩散工艺制备阻条,研制了硅杯研磨的专用设备。

“八五”攻关解决了3英寸硅片的芯片制备工艺,采用离子注入工艺制备应变阻条,并开发了大片硅杯研磨机、大片静电封接机、硅油充灌机等专用工艺装备。

“九五”攻关解决了4英寸硅片的制备工艺,实现了4英寸硅片工艺生产。开发稳定性和免补偿工艺技术,使硅力敏传感器的可补性、稳定性、一致性大幅度提高,短期稳定性达到5pV/100h,长期稳定性达到0.1%FS。

 (2)厚膜工艺

厚膜工艺在敏感元件和传感器的研制和生产中得到了普遍应用。在厚膜型敏感元件和传感器的制备中,主要解决超细粉料制备、敏感浆料配制、烧结工艺和包封等关键技术。

在攻关中,重庆仪表材料所和中科院合肥智能所等单位率先研制成功厚膜铂电阻和厚膜压力传感器,并进行了小批量生产。又进行了厚膜铂电阻和厚膜压力传感器工程化研究,解决了可靠性,稳定性工艺和批量生产技术,实现了批量生产。

(3)超细粉料制备工艺

进行了超细粉料制备工艺的研究。采用化学共沉、溶胶一凝胶等超细粉料制备工艺,合成了低阻SnO2敏感材料和超细a—Fe2O3粉料,粉料粒度达到纳米级水平。开发了新型NASICON固体电介质材料,制备高温C02气体传感器。

在混料球磨、造粒成型及高温烧结等工艺方面有所突破。研制成功了NTC、PTC热敏电阻,并开展了小型化、片式化和可靠性工艺的研究。

通过工程化攻关,在突破了材料制备、成型和性能一致性工艺之后,超小型NTC热敏电阻、过载保护用PTC热敏电阻和a—Fe203可燃气体传感器实现产业化生产。

 (4)微机械加工工艺

“八五”攻关,上海冶金所(现为上海微系统与信息技术研究所)等单位开发了厚度可控单晶硅膜制造技术、硅固相键合技术、硅表面多层膜加工技术、反应离子深刻蚀技术。开发了微型压力、加速度等新型传感器。

“九五”攻关,由复旦大学发明的“硅三维无掩膜腐蚀工艺”为国际首创微机械加工新工艺,获得了发明专利。

沈阳仪器仪表工艺研究所(行业上称为“沈工所”现为沈阳仪表科学研究院有限公司)等申.位开展了微机械加工应用研究,应用在硅传感器的生产,使每一4英寸硅片能够加工1000多个敏感元件,芯片的成品率达到80%。

硅多层结构的无掩膜腐蚀工艺为国际首创。解决了采相一次掩膜技术形成三维多层微机械结构的丄艺,层差控制精度为4um,转移平面的平整度优于1um,获得1项发明专利。专利号为:ZL97106555.1国际专利组分类号:C23F1/32。

 (5)智能芯片制造工艺

 以下这些智能芯片制造工艺尚在考虑和研发之中:

通过CMOS逻辑电路与MEMS传感器的工艺集成,吋以实现两者之间的优势互补,优化信噪比、减小器件尺寸、降低成本。针对智能传感器、生物医疗和消费类电子等市场大、方向明的应需求,通过建设多样化的MEMS-CMOS兼容工艺和尖端技术平台,括选通阵列MEMS-CMOS兼容制造工艺、CMOS兼容热泡工艺及与压电工艺集成、低阻表面硅惯性MEMS-CMOS集成工艺等,实现高集成、低成本的面向未来的MEMS晶圆制造。

①与CMOS兼容的MEMS阵列器件制造技术

MEMS阵列传感器娃重要的器件构型,在成像领域有广泛应用,包括红外、指纹、超声成像传感器等;MEMS阵列单元的CMOS选通电路与MEMS结构的兼容制造工艺成为关键共性技术之一。

针对多路MEMS传感器如阵列式MEMS传感器,或者是集成化多路输出MEMS传感器的多信号选择特性幵关。采用MOS开关工艺、多路复用器工艺以及MEMS编码技术对每个MEMS传感器信号进行选址和通讯,实现智能化的传感器信号输出。通过研究MEMS阵列式传感器的输出/驱动特性、阵列选通特性、MEMS材料/工艺的CMOS工艺兼容性,开发低噪声高速MOS管开关阵列、高增益模拟前端MEMS 互联放大电路,形成CMOS兼容MEMS阵列器件制造技术规范,为髙集成度、直至单片集成MEMS阵列器件产品提供技术支持和技术转化服务。

②与CMOS兼容热泡工艺与压电工艺集成

MEMS微流体技术是即时医疗检测及生物医疗,药物研发的核心技术,建立下一代智能微流体柔性工艺平台是生物医疗创新研发的基础,市场潜力十分巨大。

通过研究兼容热泡-压电工艺的CMOS-MEMS智能微流体芯片,攻克晶圆PZT微纳加工、高效率微流体结构加工等关键技术,为CMOS-MEMS集成的微流体智能芯片的研发与推广解决核心部件,提供根本支撑。

③低阻表面硅惯性MEMS-GMOS集成工艺

实现低阻表面硅惯性MEMS-CMOS集成工艺的开发,缩小和弥补国内惯性传感器技术水平在加工工艺和大规模制造技术上的差距,提升国内相关惯性器件领域的产业化水平。重点研究厚多晶硅外延工艺、高深宽比硅刻蚀工艺、c-SOI工艺、HF气相腐蚀工艺对CMOS电路兼容性的影响,设计双载波低阻前置放大器检测电路,重点研宄放大器MOS管参数,并开发出0.18um/0.15um/0.13um带EEPORM的混合信号工艺,包含微小电容/电阻检测电路、信号放大及模数转换电路、EEPORM校验电路及数字接口电路,形成低阻表面硅惯性MEMS-CMOS集成工艺设计和制造规范。

3.中国传感器可靠性技术的发展历程

在传感技术发展过程中,传感器产品的可靠性十分重要,进行了10个规格产品的可靠性技术研究。

“八五“期间,主要做了下列传感器产品的可靠性试验工作:

——力敏元件及传感器的可靠性试验,包括电阻应变式力敏元件和电阯应变式力传感器可靠性试验、硅压阻式力敏元件及硅压阻式压力传感器的可靠性试验;

——热敏元件和温度传感器的可靠性试验,包括NTC和PTC热敏电阻器;

——光敏元件及光传感器可靠性试验,包括地而用晶体硅光伏电池、光敏电阯;

——磁敏元件及磁传感器可靠性试验,包括硅霍尔元件、砷化镓霍尔元件、单品体型InSb磁敏电阯;

一一湿敏元件可靠性试验,以陶瓷湿敏电阯器为研究对象;

——气敏元件及可靠性试验;

——离子敏元件及可靠性试验。

通过对产品的可靠性试验、筛选、分析、数据处理、可靠性设计和制造技术研究,完成了产品的寿命试验、失效机理、失效模式分析,建立了可靠性增长模型,使PN结传感器、PTC热敏电阻、扩散硅压力传感器、硅霍尔元件、应变式力传感器、石英谐振称重传感器、NTC热敏电阯,InSb霍尔元件、廉价湿度传感a-Fe2〇3气敏元件实现了可靠性等级增长I?2级的目标。进行了可靠性综合应力试验研究,使传感器可靠性试验时间由一年左右缩短为几个月。

4.中国传感器专用工艺装备的发展历程

传感器的产品开发过程中,离不开工艺装备的研究。在注重产品和工艺开发的同时,注重了工艺装备的开发,代表性的是扩散硅传感器工艺装备的开发。

面对国外对我国扩散硅传感器关键工艺装备的封锁,我国科技人员运用计算机技术、自动化技术、精密机械技术,独立开发了划片机、硅杯研磨机、静电封接机、大片硅杯自动研磨机、大片静电封接机、硅油充灌机、化学和电化学腐蚀设备、带油封装焊接机、芯片自动测试仪、温度补偿和标定装置等硅传感器生产的专用设备,提高了制造工艺的一致性和生产效率,并在行业中推广。(作者:枭枭)

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