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我国工业传感面临的挑战和常用传感器分析

导读: 传感器技术发展迅速,探测精度提高、制作成本降低、芯片体积减小,应用非常广泛。传感器技术甚至已成我国工业领域发展瓶颈,国产化要求迫切。

传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱,传感器技术优劣成为衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志,是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。传感器广泛应用于冶金、石油、化工、电力、交通、水利、新能源、电子、环保、家电、航天、航空、军工武器装备等国民经济及国防、科研等各个领域,关乎并影响技术创新以及国防、经济和社会安全,对于当前产业结构调整与转型升级发挥着重要作用,对于占领战略型新兴产业的制高点具有十分重要的战略意义。

在现代控制系统中,传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置,构成了系统信息输入的主要“窗口”,提供着系统进行控制、处理、决策、执行所必须的原始信息,直接影响和决定着系统的功能。传感器可以直接接触被测对象,也可以间接接触。许多控制系统功能因控制对象的信息难以采集与获取而无法实现,成为系统技术发展与提升的障碍,也成为大数据的来源和采集以及物联网技术与发展的最大障碍。

而随着“工业4.0”概念的深化,全球的传感器市场空间再一次被扩宽。据预测,2016年-2021年,传感器的复合年增长率预计为11%,到2021年市场规模将达到1906亿美元。

小巧玲珑的传感器设备给我们的生活带来巨大冲击。在工业自动化领域,传感器作为机械的触觉,是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。尤其在自动化生产过程中,这些毫不起眼却至关重要的设备会将数据流转化为意义重大的决策。

目前,全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家领先企业主导,博世、霍尼韦尔、飞思卡尔、日立等传统电子行业巨头,都把传感器作为未来业务的主要增长点。

工业物联网风云渐起之时,更加带动了数据收集者——传感器的发展。从国家层面看,基于工业化与信息化融合战略,政府大力推进物联网技术向传统行业中的深度渗透,使得传感器成为提升我国现代信息技术、带动产业化发展的最好突破口。从技术层面看,承担着数据采集和传输重任的传感器,通过物联网领域的引导,正在朝着智能化、微型化、集成化、网络化、多功能、低功耗的方向发展。

MEMS传感器面临三大挑战和四大趋势

如今,我国作为全球最大的电子产品生产基地,正消耗着全球四分之一的MEMS器件。但目前,我国大部分MEMS传感器仍依赖进口。国内MEMS传感器也仍以中低端为主,技术相对落后,这一局面将在较长时间里一直存在下去。那么,各家MEMS企业又该如何摆平心态,正视这一挑战,从而寻找其中的发展商机呢?

中国MEMS厂商面临的挑战非常多。首先,缺乏高端研发人员和经验丰富的本土MEMS工程师,导致基础研究落后。同时,MEMS传感器商业化应用周期长,MEMS传感器研发时间更长,这对MEMS企业的耐心、远见是一个很大挑战。

另一方面,中国MEMS产业链在竞争方面,力量还较薄弱,没有产生在国际市场上具有领导地位的企业。MEMS传感器和IC芯片一样,具有很强的规模效应,国内企业出货量上不去,导致整个产业链,例如前端流片等环节加工能力薄弱,一致性、生产重复性都不能满足设计加工工艺要求。因此,整个MEMS产业链均处于投入阶段,盈利比较困难,产生了恶性循环。

此外,价格下滑导致MEMS厂商盈利困难。MEMS传感器产品的价格,并非与产品的重要性或开发难度成正比。例如,据统计数据显示,从应用广泛和竞争激烈的陀螺仪和加速度传感器市场来看,价格每季度下跌3%至5%,系统厂商对于MEMS产品需求量很大,但是它们也已经把价格杀到MEMS厂商难以为继的地步。

四大趋势:新兴器件、新应用、颠覆性技术、新设计

面对上述挑战,国内MEMS厂商如何树立信心,寻求机遇呢?

首先必须承认,中国是最大电子生产和消费大国,终端消费市场巨大,该优势应该可以给各家MEMS厂商给予一定信心。而且受物联网市场驱动,MEMS传感器的市场增量将相当可观。另外,MEMS传感器产品多样,也有巨大的创新空间。

MEMS传感器制造需要依赖发达的半导体微加工技术

另一方面,根据MEMS传感器的特点,MEMS传感器一直依赖于使用基于半导体的微加工技术来制造器件,以取代更为复杂、笨重或不敏感的传感器。据此,未来将有四大趋势改变MEMS市场格局。它们分别是:新兴器件、新应用、颠覆性技术、新设计。

简单来说就是:新兴器件,如微镜和环境组合传感器;新应用,如压力传感器应用于位置或高度感测;颠覆性技术,包括封装、新材料,如压电薄膜和300mm/12寸晶圆;新的设计,包括NEMS纳机电系统和光学集成技术。

物联网是我国未来十年的核心发展战略,MEMS传感器则是物联网中不可或缺的一环,下一个十年,会涌现出远比现在主流MEMS传感器更有市场前景的MEMS产品,期待中国MEMS产业能跻身世界前列。

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