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量产难度超过造“芯”,中国传感器如何破局?

量产难度超过造“芯”,中国传感器如何破局?

虽然,近年来我国大力扶持智能传感器的发展,但是市场上暂无大批量新传感器出现,主要是因为在目前的MEMS工艺基础上,传感器从设计到量产需耗费大量的精力,想要加快MEMS传感器的量产速度,需要业界找到加速MEMS开发的方式。在某种程度上,传感器的量产难度甚至超过造“芯”。

在物联网时代,智能设备与现实世界之间的互动,主要依赖MEMS和感测器技术。据Gartner预测,2020年全球将有300亿个无线传感器节点,到“万物互联”时代传感器节点数量可达到万亿级。虽然,近年来我国大力扶持智能传感器的发展,但是市场上暂无大批量新传感器出现,主要是因为在目前的MEMS工艺基础上,传感器从设计到量产需耗费大量的精力,想要加快MEMS传感器的量产速度,需要业界找到加速MEMS开发的方式。在某种程度上,传感器的量产难度甚至超过造“芯”。ZUlesmc

围绕MEMS工艺和应用来创新

传感器自诞生以来,大致经历了结构型、固体型、智能型三个阶段,随着各类技术的进步,前两类传感器逐渐无法满足对数据采集、处理等流程的需求,融合了AI技术的智能传感器开始受到关注。ZUlesmc

虽然传感器并不是新兴产品,它早在20世纪50年代就已经出现,但是由于敏感机理、敏感材料不同,使用场景、工作环境,以及被检测介质与个性化参数、结构复杂等特点,一直以来,各种传感器产品处于小批量生产的状态。在过去很长一段时间里,各国的技术人员针对传感器的工艺技术、产品规范化、功能集中化等方面做了很多创新和努力,也出现了不同特色的技术成果。ZUlesmc

据资料显示,在25年以前,美国硅谷的传感器厂商以MEMS工艺技术为基础,根据不同行业和功能的需求,展开了不同封装结构的各种传感器产品创新。到2011年,这些厂商提高了MEMS工艺技术在晶体与非晶体、各种半导体材料上的应用和多个领域的工艺技术创新,提升了传感器的产业化基础水平;在多功能集成化、模块化构架、嵌入式能力、网络化接口等方面形成了创新与突破。美国的传感器厂商们认为,传感器产用难以对接的矛盾已经得到极大改善,MEMS工艺已经成熟,随后便开始着手推广使用。ZUlesmc

此处说的MEMS可以理解为:将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,如三维硅穿孔TSV 等技术,把器件固定在硅晶元上,再根据不同的应用场合,采用特殊定制的封装形式,切割组装而成的硅基传感器。它既具备IC硅片加工批量化生产的成本优势,又具有微型化和高集成度。因此,业内人士普遍认为,MEMS是替代传统传感器的最佳选择。ZUlesmc

国内产业链现状如何?

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智能传感器的发展历史ZUlesmc

从上个世纪开始,我国就已经在智能传感器领域展开探索。20世纪80年代,以国防科技大学为主的大专院校相继报道了智能传感器相关的研究成果;20世纪90年代初,国内几家研究机构采用混合集成技术研制出实用的智能传感器;到2010年,我国机械工业仪器仪表综合技术经济研究所(ITEI)初步建立起智能传感器系统标准体系架构。此后,伴随物联网和智能制造的兴起,智能传感器得到了广泛地关注。近年来,我国政府对智能传感器产业的发展加大扶持力度,到现在行业现状如何?ZUlesmc

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美新半导体副总裁卢牮ZUlesmc

对此,美新半导体副总裁卢牮解释说,在各级政府积极引导、国产替代大力支持下,中国智能传感器产业链已经初步形成了从晶圆生产、制造到传感器设计与封测的完整链条,并涌现出一批优秀的国产企业。如今,国产传感器已经能基本满足中低端应用的需求。不过在高端传感器产品上,能够与国际厂商竞争的国内厂商还不多。“国产智能传感器在材料、性能和结构的创新突破上还存在提升空间。”奥比中光副总裁孔博用一句话来概括。ZUlesmc

《国际电子商情》找到三组数据:一、中国信通院数据显示,2015年智能传感器以70%的市占率,取代传统传感器成为中国主流传感器产品;二、据不完全统计,全球产品化的传感器大约有2.6万种,我国仅能量产其中的1.4万种;三、中国传感器与物联网产业联盟数据显示,我国消耗了全球约30%的传感器产品,但国产传感器产品只占全球的13%。上述这些数据在一定程度上佐证了受访者对我国传感器产业链的“相对落后”的表述。ZUlesmc

不过,值得肯定的是,在个别细分领域,国内传感器厂商已经在积极追赶,在某些技术上甚至已经开始领先。比如,瑞声科技、歌尔声学的声敏传感器实现了产业化规模生产;中国在温/湿度传感器上具备规模化量产能力;奥比中光是亚洲首家、全球第四家量产消费级3D 传感器的厂商;美新半导体推出了全球独家热式加速度计、最小尺寸的磁传感器等等。ZUlesmc

当前,国内有近5000家仪器仪表企业,有1600多家可不同程度地生产制造敏感元件及传感器,其中小微企业占了95%以上,这些厂商缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件,导致我国传感器产业化基础薄弱,缺乏应用开发和技术创新能力。基于以上问题,业内人士给出的解决方案是:通过在经济、技术优势和发达地区,聚集传感器专业性公司和科研院所,组成具有国际市场影响力的产业集群或基地,来实现产业化集群式发展。ZUlesmc

MEMS传感器的量产瓶颈

近年来,很多集成电路企业尝试把集成电路工艺流程带入MEMS传感器领域。但MEMS传感器涉及多学科的交叉与融合,它暂无固定成型的标准化的生产工艺流程,每一款MEMS都针对下游特定的应用场合,具备有独特的设计和对应的封装形式,这些形式往往千差万别,造成整个商业化流程可能需要5-10年。与此同时,MEMS传感器的商业模式仍需考虑多种因素,比如了解客户的特点,找到合适的供应链等等。ZUlesmc

另外,一些品类的MEMS传感器因缺乏规模经济,在产量提升方面也面临较大的困难。如果其需求量达不到一定的指标,对企业而言新增完全一样的产线性价比并不高。物联网时代的特点是,根据设备使用环境的差异性,来配备不同的MEMS传感器。现有的MEMS制造技术,只能满足大体量的传感器的需求。这意味着,物联网时代数万亿节点的实现并不容易。ZUlesmc

现有MEMS技术基础上,传感器厂商的创新面临着许多困难,比如传感器的应用场景分散,不易形成规模效应,研发周期和产业化周期较长,发展速度很慢等。为了避免这类问题的出现,卢牮认为企业在产品正式投入研发前,就要做好充分的前期市场预研和项目立项,从市场前景、技术专利、市场竞争、政策到客户调研等方位提供产品立项决策参考。在研发和生产过程中,实施科学地项目管理、质量控制,依靠一流的供应链体系支撑,来确保按时按质投产交付。ZUlesmc

对使用量大的传感器品类而言,势必有更大的动能来推动厂商的投入。近年来,手机和汽车对智能化的追求提升了相关传感器的需求。2014年,平均每一台智能手机需要消耗12颗MEMS传感器,到2021年,每一台5G手机则要消耗20颗MEMS传感器。博世统计数据显示,现在平均一辆智能汽车使用50颗以上的MEMS传感器,其中加速计、压力传感器、陀螺仪的应用合计占比超过95%。ZUlesmc

据Yole Développement预测,2023年移动细分市场将为传感器和执行器创造530亿美元的价值,汽车市场将为传感器创造205亿美元的价值。《国际电子商情》相信在这两大市场应用得最多的压力传感器、加速度传感器、图像传感器、距离传感器、流量传感器等都会有更大的发展空间。ZUlesmc

传感器企业要做哪些准备?

今年以来,中国加速了“新基建”建设,给传感器的技术水平、产业化发展的提升以及应用环境的拓展提供了较大的机遇。但也带来了更严格的功能和性能方面的要求,产业链企业需要投入更大的精力来发展自身。此外,又因为传感器是信息输入的“窗口”,物联网、大数据、云计算乃至智慧城市的各种技术,都依赖其提供的基础功能。这也代表着,未来传感器的市场蛋糕将非常大。针对传感器行业的各种利好,产业链企业要做好哪些规划?ZUlesmc

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奥比中光副总裁孔博ZUlesmc

孔博赞同“新基建”带来机遇的说法,他以3D感知领域为例:“3D感知技术行业正在迎来高速发展期,只有产品性能得到优化,应用才有落地的可能性,用户的体验才能得到改善,进而才会激发市场需求形成良性循环。同时,3D传感器的功耗、体积、测量范围、精度、分辨率等都关键的指标,这也是奥比中光接下来持续技术攻关和研发创新的重点。”ZUlesmc

他也表示,随着人工智能的发展和5G的普及,机器视觉全面3D化将成为趋势,3D视觉传感器会成为智能终端的标配。而3D视觉感知技术是一个高精尖的跨学科领域,涉及光学、视觉、算法软件、硬件等领域,其技术跨度大、难度高。该技术的突破离不开产业链的更新升级,所以它的研发周期会很长,为同步推动技术进步和产业化落地,需要充分尊重产业发展规律,积极抢滩行业应用的“无人区”。ZUlesmc

再则,5G加速数据传输、降低延迟,使得高精度的3D模型能够实时生成,3D感知技术可应用在更多智能产品中。不同场景的应用落地的周期也不同,有的或在3-5年内就能实现,有的要耗费10-15年时间。因此,奥比中光选择智能化需求强烈、初具大规模落地条件的行业来重点突破,比如FACE ID、3D刷脸支付、智能服务机器人、3D刷脸门锁等。在此基础上,奥比中光还将大力布局新兴领域,瞄准AR/VR、三维重建、自动驾驶汽车等。据了解,奥比中光已经助力支付宝推出了3D刷脸支付功能,推动全球首款搭载3D摄像头的安卓机上市,为魅族5G旗舰机提供ToF系统解决方案等。ZUlesmc

卢牮则表示,传感器的发展离不开深厚的技术积累和对市场的长期敏感。为了满足客户市场不断增长的需求,美新半导体将针对新技术坚持做研发储备,计划以加速度计、AMR磁传感器和霍尔磁传感器为切入点,全方位扩展陀螺仪、角度传感器,红外传感器等产品线。具体通过自研或并购,逐渐衍生至集成电路相关技术领域。ZUlesmc

据介绍,美新半导体已经基于MEMS技术研发了30多种型号的加速度传感器、磁传感器等产品,截止到去年年底,其这些产品的出货量累计超过17亿颗。到2020年,美新半导体还取得了mCube惯性传感器芯片技术的独家授权,正式拥有了基于6亿片量产经验、成熟的电容式加速度计技术。ZUlesmc

无论是奥比中光,还是美新半导体,这些企业都是先在自己擅长的领域做深,再拓展到其他的相关的领域。这样经过“点-线-面”的逐渐渗透,最终将能实现更大范围的领先。希望在中国传感器市场能看到更多这类企业。ZUlesmc

小结:

即使传感器只是一个小小的器件,它在万物互联时代的重要意义也无法忽略。谁能在MEMS工艺、传感技术上更早取得进展,谁就能在未来的竞争中抢占先机。海量数据传输的需求,带来极其庞大的传感器节点,中国传感器厂商在其中会有怎样的发展?至少从细分市场的表现来看,我们的企业在某些领域已经领先,期待未来能看到更多国产传感器品牌崛起。ZUlesmc

本文为《国际电子商情》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里ZUlesmc

原创
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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