據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球產(chǎn)品化的傳感器大約有2.6萬種，我國僅能量產(chǎn)其中的1.4萬種。同時(shí)，我國消耗了全球約30%的傳感器，而國產(chǎn)傳感器產(chǎn)品只占全球的13%。
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能設(shè)備與現(xiàn)實(shí)世界之間的互動，主要依賴MEMS和感測器技術(shù)。據(jù)Gartner預(yù)測，2020年全球?qū)⒂?00億個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，到“萬物互聯(lián)”時(shí)代傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá)到萬億級。雖然，近年來我國大力扶持智能傳感器的發(fā)展，但是市場上暫無大批量新傳感器出現(xiàn)，主要是因?yàn)樵谀壳暗腗EMS工藝基礎(chǔ)上，傳感器從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)需耗費(fèi)大量的精力，想要加快MEMS傳感器的量產(chǎn)速度，需要業(yè)界找到加速M(fèi)EMS開發(fā)的方式。在某種程度上，傳感器的量產(chǎn)難度甚至超過造“芯”。

圍繞MEMS工藝和應(yīng)用來創(chuàng)新

傳感器自誕生以來，大致經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)型、固體型、智能型三個(gè)階段，隨著各類技術(shù)的進(jìn)步，前兩類傳感器逐漸無法滿足對數(shù)據(jù)采集、處理等流程的需求，融合了AI技術(shù)的智能傳感器開始受到關(guān)注。
雖然傳感器并不是新興產(chǎn)品，它早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于敏感機(jī)理、敏感材料不同，使用場景、工作環(huán)境，以及被檢測介質(zhì)與個(gè)性化參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，一直以來，各種傳感器產(chǎn)品處于小批量生產(chǎn)的狀態(tài)。在過去很長一段時(shí)間里，各國的技術(shù)人員針對傳感器的工藝技術(shù)、產(chǎn)品規(guī)范化、功能集中化等方面做了很多創(chuàng)新和努力，也出現(xiàn)了不同特色的技術(shù)成果。
據(jù)資料顯示，在25年以前，美國硅谷的傳感器廠商以MEMS工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同行業(yè)和功能的需求，展開了不同封裝結(jié)構(gòu)的各種傳感器產(chǎn)品創(chuàng)新。到2011年，這些廠商提高了MEMS工藝技術(shù)在晶體與非晶體、各種半導(dǎo)體材料上的應(yīng)用和多個(gè)領(lǐng)域的工藝技術(shù)創(chuàng)新，提升了傳感器的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)水平；在多功能集成化、模塊化構(gòu)架、嵌入式能力、網(wǎng)絡(luò)化接口等方面形成了創(chuàng)新與突破。美國的傳感器廠商們認(rèn)為，傳感器產(chǎn)用難以對接的矛盾已經(jīng)得到極大改善，MEMS工藝已經(jīng)成熟，隨后便開始著手推廣使用。
此處說的MEMS可以理解為：將傳統(tǒng)傳感器的機(jī)械部件微型化后，通過三維堆疊技術(shù)，如三維硅穿孔TSV 等技術(shù)，把器件固定在硅晶元上，再根據(jù)不同的應(yīng)用場合，采用特殊定制的封裝形式，切割組裝而成的硅基傳感器。它既具備IC硅片加工批量化生產(chǎn)的成本優(yōu)勢，又具有微型化和高集成度。因此，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，MEMS是替代傳統(tǒng)傳感器的最佳選擇。

國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀如何？

智能傳感器的發(fā)展歷史
從上個(gè)世紀(jì)開始，我國就已經(jīng)在智能傳感器領(lǐng)域展開探索。20世紀(jì)80年代，以國防科技大學(xué)為主的大專院校相繼報(bào)道了智能傳感器相關(guān)的研究成果；20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)幾家研究機(jī)構(gòu)采用混合集成技術(shù)研制出實(shí)用的智能傳感器；到2010年，我國機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所（ITEI）初步建立起智能傳感器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。此后，伴隨物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的興起，智能傳感器得到了廣泛地關(guān)注。近年來，我國政府對智能傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展加大扶持力度，到現(xiàn)在行業(yè)現(xiàn)狀如何？
對此，美新半導(dǎo)體副總裁盧牮解釋說，在各級政府積極引導(dǎo)、國產(chǎn)替代大力支持下，中國智能傳感器產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成了從晶圓生產(chǎn)、制造到傳感器設(shè)計(jì)與封測的完整鏈條，并涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的國產(chǎn)企業(yè)。如今，國產(chǎn)傳感器已經(jīng)能基本滿足中低端應(yīng)用的需求。不過在高端傳感器產(chǎn)品上，能夠與國際廠商競爭的國內(nèi)廠商還不多。“國產(chǎn)智能傳感器在材料、性能和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新突破上還存在提升空間。”奧比中光副總裁孔博用一句話來概括。
《國際電子商情》找到三組數(shù)據(jù)：一、中國信通院數(shù)據(jù)顯示，2015年智能傳感器以70%的市占率，取代傳統(tǒng)傳感器成為中國主流傳感器產(chǎn)品；二、據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球產(chǎn)品化的傳感器大約有2.6萬種，我國僅能量產(chǎn)其中的1.4萬種；三、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，我國消耗了全球約30%的傳感器產(chǎn)品，但國產(chǎn)傳感器產(chǎn)品只占全球的13%。上述這些數(shù)據(jù)在一定程度上佐證了受訪者對我國傳感器產(chǎn)業(yè)鏈的“相對落后”的表述。
不過，值得肯定的是，在個(gè)別細(xì)分領(lǐng)域，國內(nèi)傳感器廠商已經(jīng)在積極追趕，在某些技術(shù)上甚至已經(jīng)開始領(lǐng)先。比如，瑞聲科技、歌爾聲學(xué)的聲敏傳感器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；中國在溫/濕度傳感器上具備規(guī)模化量產(chǎn)能力；奧比中光是亞洲首家、全球第四家量產(chǎn)消費(fèi)級3D 傳感器的廠商；美新半導(dǎo)體推出了全球獨(dú)家熱式加速度計(jì)、最小尺寸的磁傳感器等等。
當(dāng)前，國內(nèi)有近5000家儀器儀表企業(yè)，有1600多家可不同程度地生產(chǎn)制造敏感元件及傳感器，其中小微企業(yè)占了95%以上，這些廠商缺乏足夠的人力、物力、工藝技術(shù)條件，導(dǎo)致我國傳感器產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱，缺乏應(yīng)用開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力。基于以上問題，業(yè)內(nèi)人士給出的解決方案是：通過在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)達(dá)地區(qū)，聚集傳感器專業(yè)性公司和科研院所，組成具有國際市場影響力的產(chǎn)業(yè)集群或基地，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化集群式發(fā)展。

MEMS傳感器的量產(chǎn)瓶頸

近年來，很多集成電路企業(yè)嘗試把集成電路工藝流程帶入MEMS傳感器領(lǐng)域。但MEMS傳感器涉及多學(xué)科的交叉與融合，它暫無固定成型的標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工藝流程，每一款MEMS都針對下游特定的應(yīng)用場合，具備有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和對應(yīng)的封裝形式，這些形式往往千差萬別，造成整個(gè)商業(yè)化流程可能需要5-10年。與此同時(shí)，MEMS傳感器的商業(yè)模式仍需考慮多種因素，比如了解客戶的特點(diǎn)，找到合適的供應(yīng)鏈等等。
另外，一些品類的MEMS傳感器因缺乏規(guī)模經(jīng)濟(jì)，在產(chǎn)量提升方面也面臨較大的困難。如果其需求量達(dá)不到一定的指標(biāo)，對企業(yè)而言新增完全一樣的產(chǎn)線性價(jià)比并不高。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的特點(diǎn)是，根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境的差異性，來配備不同的MEMS傳感器。現(xiàn)有的MEMS制造技術(shù)，只能滿足大體量的傳感器的需求。這意味著，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)萬億節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)并不容易。
現(xiàn)有MEMS技術(shù)基礎(chǔ)上，傳感器廠商的創(chuàng)新面臨著許多困難，比如傳感器的應(yīng)用場景分散，不易形成規(guī)模效應(yīng)，研發(fā)周期和產(chǎn)業(yè)化周期較長，發(fā)展速度很慢等。為了避免這類問題的出現(xiàn)，盧牮認(rèn)為企業(yè)在產(chǎn)品正式投入研發(fā)前，就要做好充分的前期市場預(yù)研和項(xiàng)目立項(xiàng)，從市場前景、技術(shù)專利、市場競爭、政策到客戶調(diào)研等方位提供產(chǎn)品立項(xiàng)決策參考。在研發(fā)和生產(chǎn)過程中，實(shí)施科學(xué)地項(xiàng)目管理、質(zhì)量控制，依靠一流的供應(yīng)鏈體系支撐，來確保按時(shí)按質(zhì)投產(chǎn)交付。
對使用量大的傳感器品類而言，勢必有更大的動能來推動廠商的投入。近年來，手機(jī)和汽車對智能化的追求提升了相關(guān)傳感器的需求。2014年，平均每一臺智能手機(jī)需要消耗12顆MEMS傳感器，到2021年，每一臺5G手機(jī)則要消耗20顆MEMS傳感器。博世統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在平均一輛智能汽車使用50顆以上的MEMS傳感器，其中加速計(jì)、壓力傳感器、陀螺儀的應(yīng)用合計(jì)占比超過95%。
據(jù)Yole Développement預(yù)測，2023年移動細(xì)分市場將為傳感器和執(zhí)行器創(chuàng)造530億美元的價(jià)值，汽車市場將為傳感器創(chuàng)造205億美元的價(jià)值。《國際電子商情》相信在這兩大市場應(yīng)用得最多的壓力傳感器、加速度傳感器、圖像傳感器、距離傳感器、流量傳感器等都會有更大的發(fā)展空間。

傳感器企業(yè)要做哪些準(zhǔn)備？

今年以來，中國加速了“新基建”建設(shè)，給傳感器的技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的提升以及應(yīng)用環(huán)境的拓展提供了較大的機(jī)遇。但也帶來了更嚴(yán)格的功能和性能方面的要求，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)需要投入更大的精力來發(fā)展自身。此外，又因?yàn)閭鞲衅魇?a target="_blank">信息輸入的“窗口”，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算乃至智慧城市的各種技術(shù)，都依賴其提供的基礎(chǔ)功能。這也代表著，未來傳感器的市場蛋糕將非常大。針對傳感器行業(yè)的各種利好，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)要做好哪些規(guī)劃？
孔博贊同“新基建”帶來機(jī)遇的說法，他以3D感知領(lǐng)域?yàn)槔骸?D感知技術(shù)行業(yè)正在迎來高速發(fā)展期，只有產(chǎn)品性能得到優(yōu)化，應(yīng)用才有落地的可能性，用戶的體驗(yàn)才能得到改善，進(jìn)而才會激發(fā)市場需求形成良性循環(huán)。同時(shí)，3D傳感器的功耗、體積、測量范圍、精度、分辨率等都關(guān)鍵的指標(biāo)，這也是奧比中光接下來持續(xù)技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)創(chuàng)新的重點(diǎn)。”
他也表示，隨著人工智能的發(fā)展和5G的普及，機(jī)器視覺全面3D化將成為趨勢，3D視覺傳感器會成為智能終端的標(biāo)配。而3D視覺感知技術(shù)是一個(gè)高精尖的跨學(xué)科領(lǐng)域，涉及光學(xué)、視覺、算法軟件、硬件等領(lǐng)域，其技術(shù)跨度大、難度高。該技術(shù)的突破離不開產(chǎn)業(yè)鏈的更新升級，所以它的研發(fā)周期會很長，為同步推動技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化落地，需要充分尊重產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，積極搶灘行業(yè)應(yīng)用的“無人區(qū)”。
再則，5G加速數(shù)據(jù)傳輸、降低延遲，使得高精度的3D模型能夠?qū)崟r(shí)生成，3D感知技術(shù)可應(yīng)用在更多智能產(chǎn)品中。不同場景的應(yīng)用落地的周期也不同，有的或在3-5年內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)，有的要耗費(fèi)10-15年時(shí)間
盧牮則表示，傳感器的發(fā)展離不開深厚的技術(shù)積累和對市場的長期敏感。為了滿足客戶市場不斷增長的需求，美新半導(dǎo)體將針對新技術(shù)堅(jiān)持做研發(fā)儲備，計(jì)劃以加速度計(jì)、AMR磁傳感器和霍爾磁傳感器為切入點(diǎn)，全方位擴(kuò)展陀螺儀、角度傳感器，紅外傳感器等產(chǎn)品線。具體通過自研或并購，逐漸衍生至集成電路相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
據(jù)介紹，美新半導(dǎo)體已經(jīng)基于MEMS技術(shù)研發(fā)了30多種型號的加速度傳感器、磁傳感器等產(chǎn)品，截止到去年年底，其這些產(chǎn)品的出貨量累計(jì)超過17億顆。到2020年，美新半導(dǎo)體還取得了mCube慣性傳感器芯片技術(shù)的獨(dú)家授權(quán)，正式擁有了基于6億片量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、成熟的電容式加速度計(jì)技術(shù)。
無論是奧比中光，還是美新半導(dǎo)體，這些企業(yè)都是先在自己擅長的領(lǐng)域做深，再拓展到其他的相關(guān)的領(lǐng)域。這樣經(jīng)過“點(diǎn)-線-面”的逐漸滲透，最終將能實(shí)現(xiàn)更大范圍的領(lǐng)先。希望在中國傳感器市場能看到更多這類企業(yè)。

小結(jié)：

即使傳感器只是一個(gè)小小的器件，它在萬物互聯(lián)時(shí)代的重要意義也無法忽略。誰能在MEMS工藝、傳感技術(shù)上更早取得進(jìn)展，誰就能在未來的競爭中搶占先機(jī)。海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑤順O其龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)，中國傳感器廠商在其中會有怎樣的發(fā)展？至少從細(xì)分市場的表現(xiàn)來看，我們的企業(yè)在某些領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先，期待未來能看到更多國產(chǎn)傳感器品牌崛起。

責(zé)任編輯：lq