中国传感器亟需突破11大卡脖子关键技术!
作者 | 传感器专家网2022-08-03

中美贸易摩擦日益加剧,近日美国更是推进了其《芯片与科学法案》,企图全面遏制中国半导体产业崛起。

作为我国唯一一家定位于思想理论领域的中央重点新闻网站——光明网,曾经发文《以传感器为抓手进行“卡脖子”技术突破》,阐述我国传感器产业的薄弱和突破的重要性。

传感器虽然体量弱小、默默无闻,却是现代制造业的基石之一。本文整理了传感器领域亟需突破的11个卡脖子关键技术,突破一个都是中国传感器行业的巨大进步!

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光明网:以传感器为抓手进行“卡脖子”技术突破

中美贸易摩擦以来,美国不断以“芯片”断供,以及将华为等高科技企业列入出口管制的“实体清单”等行为,使得中国信息产业面临“卡脖子”的窘境。“十四五”时期,必须充分发挥我国市场优势和制度优势,打好关键核心技术攻坚战,突破关键核心技术发展瓶颈。

以传感器为例,作为数据采集的唯一功能器件,也是信息技术的基础核心元器件,采集的数据是整个感知、传输和处理信息系统中流淌的“血液”。美国公布的影响国家长期安全和经济繁荣至关重要22项技术中,有6项与传感器技术直接相关。

然而,我国本土传感器发展令人担忧,与全世界生产的超过2万种产品品种相比,中国国内仅能生产其中的约1/3,整体技术含量也较低。同时,国内传感器市场需求量上千万亿,每年进口额都不低于1700亿人民币,这么大的市场体量却绝大部分被欧美国际零部件巨头占据,包括汽车或科学仪器等传感器95%以上市场份额都掌握在外资企业手里,成为当前制约数字化转型发展的最大“卡脖子”技术瓶颈之一。

总之,传感器是底层技术,也是数字经济时代下最核心技术之一,产品需求量很大。针对当前国际大环境,尤其是美国针对我国高科技产品和技术的定点围堵,一定要注重提升传感器产业链合作水平,整合上下游技术,主动出击、狠下功夫补链、强链,找到传感器等短板弱项的“卡脖子”技术的定点攻关和突破方向。 

中国传感器最亟需突破的11大卡脖子关键技术

1、MEMS 陀螺传感器芯片

MEMS陀螺仪是半导体行业的基础元件,在消费电子、工业等领域用途广泛,技术门槛处于传感器领域较高水平,国内外各厂商投入力度大,但高端产品研发工作主要集中在高校和科研院所。

欧美日都有一批相关的企业和科研单位在这领域取得突破性进展,但中国这方面起步晚、发展慢,国内具备 MEMS 陀螺芯片自主设计和量产的能力的企业屈指可数,仅有水木智芯、明皜传感等寥寥几家,且产量和市场占有率都非常低。

据《中国传感器(技术和产业)发展蓝皮书》介绍,国内众多消费电子厂商大量使用的 MEMS 陀螺芯片基本依靠进口,保守估计MEMS芯片进口率达80%以上。

2、MEMS 技术与 IC 技术的集成与融合

MEMS 技术用微加工技术将各种产品整合到基于硅的微电子芯片上,与传统的 IC 工艺有许多相似之处,如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光等,有些复杂微结构难以用 IC 工艺实现,须采用微加工技术,如硅的体微加工技术、表面微加工技术等。

MEMS技术将是未来传感器的主要制造技术,但国内本土MEMS发展面临高端研发人员缺失、产业链尚未形成、企业盈利难等问题,如同三座大山压着国内MEMS产业。

MEMS最初用于汽车安全气囊,近年来随着技术发展,市场需求迅猛,将如同计算机技术和微电子技术给人们生活带来的改变一样,MEMS技术也将给我们的生活带来巨大改变。

3、MEMS 微型超声波传感器

MEMS 微型超声波传感器在消费电子领域有着广阔的应用场景,例如小米、OPPO等手机厂商近期密集推出的“无边框”手机,为了在窄窄的边框塞入用于息屏功能的感应传感器,MEMS 微型超声波传感器是最佳的成熟应用方式。

MEMS 微型超声波测距传感器工作原理与普通传感器传感器一样,通过发射接收超声波,探测物体距离,但体积非常小,有利于集成,在智能手机、智能终端、智能家居家电、智能办公设备等使用场景广阔。

MEMS 微型超声波测距传感器体积不到目前同类产品的 1/10,产品实现需要达到耐高温贴装工艺要求,且在微型压电芯片加工工艺、微型装配工艺、 (MEMS)工艺压电材料开发等方面有较高技术难点。

目前市场上,该技术主要被日本企业村田垄断,国内没有具备设计和量产能力的企业。

4、高性能磁传感器

高性能磁传感器技术门槛高,市场广、应用范围大,在工业自动化控制,医疗设备以及汽车工业等领域均存在巨大需求,每年全球销售逾数十亿颗,金额达百亿美元。

以传统燃油汽车为例,每辆车上平均安装 30 余个磁传感器,涵盖曲轴、电路、踏板、液面、卡扣等近 20 种应用。而在智能自动驾驶汽车上,这些传感器的应用将更多、更细致。

然而目前中国市场销售的车辆,磁传感器全部被国外厂家垄断,严重依赖进口, 霍尼韦尔(Honeywell)、村田(MURATA)、精量电子(MEAS) 、罗姆(ROHM)等国外厂商瓜分了这一市场。

精密制造、勘探、电力、仪器设备等工控领域使用的高端磁传感器同样被国际传感器巨头把控,对我国产业升级和自主化进程埋下巨大隐患。

国内磁传感器制造领域研发基础非常薄弱,设备、人才积累有限,产品性能、良品率、成本、生产流程等等方面都亟待优化和提高。

同时,国内市场也应该扶持国内磁传感器厂商,产业链范围内对自主产品的市场进行培育及推广。

5、宽温区硅压力传感器芯片

压力传感器一直以来都是传感器领域里面出货量、使用量最大的类型之一,尤其是宽温区硅压力传感器和芯片,这也是我国与世界先进水平差距比较大的方向。

从具体技术参数指标上来说,使用温度范围在-55℃~225℃之间,精度优于 0.25%FS 的高可靠性 MEMS 高温硅压力传感器是亟需突破的重点

同时,低应力无引线封装、温度补偿、高温专用电路(ASIC)芯片等关键技术,开发测控接口电路,是实现批量化生产并在重大技术装备中应用的关键。

6、智能光纤传感器

智能光纤传感器主要用于航空发动机,重型燃气轮机的状态监测,对发动机工作过程中的压力、温度、振动、应变、位移、尾气成分等参数进行实时测量,为发动机/燃气轮机的工作状态,健康状态,故障分析提供数据支撑。

我们知道,光纤传感器天然具有抗电磁、原子辐射干扰的能力,具备工作温度高,多传感器组网,可信号预处理分析,数字化通用接口等诸多优点,因此在重大工程设备上智能光纤传感器有很大作用。

被誉为制造业皇冠上的明珠——发动机/燃气轮机,智能光纤传感器的应用不可少。国际上的工业商巨头们——GE,西门子,普惠,罗尔斯罗伊斯等,都已经将智能光纤传感器用于自家发动机/燃气轮机产品的状态监测。

而我国光纤智能传感器研究起步较晚,且目前相比其他传感器领域,关注度不够,投入的人力物力较少,与国外的研制水平相差较大,用于燃烧室超高温环境的智能光纤传感器领域的差距尤为明显

7、小型化集成式气体传感器

国内气体传感器领域目前有汉威科技、四方光电等中大型企业,但产品多为单独的气敏元件,落后国际平均水平一代,落后德国先进水平两代。

目前国际先进智能气体传感器已能在一个小型封装内集成气体传感、信号采集、信息处理、校准数据存储、温度补偿以及数字接口等功能。

剑桥传感器Cambridge CMOS Sensors(CCS,已被AMS收购)采用 DFN/LGA 封装的气体传感器最大尺寸不超过 2.7mm×4mm,最大功耗不超过 10mW。博世已推出集气体、气压、温度和湿度传感器于一体的 MEMS 环境传感器。瑞士 盛 思 锐 采 用 DFN 封 装 的 气 体 传 感 器 尺 寸 达 到2.45mm×2.45mm×0.75mm。

这些代表性的气体传感器目前国内仍没有厂商的技术水平能够达到,在敏感材料研发、敏感材料加载技术、集成信号调理采集技术、多传感器数据融合技术、智能气体传感器 SIP 封装工艺、海量传感器批量校准技术等方面,存在较大差距,亟待提升。

8、红外阵列传感器

红外传感器市场需求广,在国内传感器中是起步相对较早的领域,目前国内有高德红外,睿创微纳、大立科技、飒特红外等中大型红外传感器和热像仪企业。但在红外阵列式传感器这一细分领域,与国外先进水平仍有较大差距。

红外阵列传感器是指在同一芯片上集成了80×60至240×180个敏感单元的红外传感器,可接收并检测目标物体辐射的红外能量,经光电转换后输出与目标物体的温度分布及红外辐射强度相关的电信号。

红外阵列式传感器相比目前日常广泛应用的单元红外传感器具有精度高、检测范围宽、能输出可观察的图像信号等优点,在工业检测、家庭安防、智能家居、节能控制、医疗看护、流量计数、气体检测、火灾监控、消费电子等领域有着广阔的应用场景,将取代单元红外传感器。

据知名市场研究机构Yole的统计数据显示,红外阵列式传感器市场规模已达 10 亿美元以上,并且每年的增速高达 50%以上

红外阵列式传感器的技术被 ULIS,FLIR等欧美厂商垄断,国内厂商在晶圆级封装技术、信号处理专用芯片技术等方面有较大差距。

9、传感器网络技术

许多场景下,需要获取多个参量数据对测控的设备、环境进行判断,这样单个传感器远远无法达到需求。而在多传感器应用下,使用有线或者无线等网络技术对传感器进行集成,将是关键。

传感器网络技术采用的方法有:单个节点通过多个数据通道对多个测点数据进行采集数据;通过无线方式,对多个单个智能传感器节点数据进行采集处理;先通过有线方式将多个测点数据进行采集处理,然后通过无线网技术对有线方式处理后的节点进行组网,对数据进行二次处理。

例如在汽车应用中,传统上使用有线线束进行数据传输,总长度一般有近2公里,最多达5公里。而在特斯拉上使用了车载以太网芯片技术进行传感器信号的传输,有效较少了线束长度。

传感器网络技术主要存在网络协议技术、功耗技术、无线射频技术等难点。

10、传感器智能处理算法

如同EDA技术,高效的算法在智能传感器里面具有重要的作用,能够更大程度发挥传感器的性能,提高传感器的精度,同时使用人工神经网络、回归算法等计算技术和数据融合处理方法,将广泛应用于越来越复杂的检测中,并且实现自校准功能。

为了使传感器满足具体行业应用要求,需要开发新传感器智能算法,通过数据融合技术,将多参量数据进行综合处理。为了使传感器功耗更低,还需要研究开发智能控制算法、传感器休眠算法、时间同步算法等。

物联网、人工智能、机器人等新应用场景,要求传感器需要更加“智能”,而这些智能很多时候都是通过算法赋予。

11、集成式智能传感器和微系统模组

物联网、移动互联和人工智能技术对智能传感器和微系统模组有强烈的需求,全球科技巨头纷纷布局。我国在单体传感器上已经远远落后欧美日等国家,而在集成式智能传感器和微系统模组方面我们和国外处于同一起跑线

这是一个难得的机遇,我国需要把握住,推动基于 SESUB(半导体基板埋

入)和 SiP(系统级封装)工艺的集成式智能传感器和微系统模组的研发和产业化。

此外,研发跨环境和声学类、惯性类等集成式智能传感器以及手机、手表、手环、无线耳机、AR/VR 以及 IoT、IPM(智能功率模块)、TPMS 胎压监测等消费类电子、汽车电子和智能家具等应用领域的 SiP 模组产品。

结语

诚如光明网发文所言,传感器是底层技术,也是数字经济时代下最核心技术之一,产品需求量很大。针对当前国际大环境,尤其是美国针对我国高科技产品和技术的定点围堵,一定要注重提升传感器产业链合作水平,整合上下游技术,主动出击、狠下功夫补链、强链,找到传感器等短板弱项的“卡脖子”技术的定点攻关和突破方向。 

而文中这11个关键传感器技术,是中国传感器领域最亟需攻破,未来也具备广阔需求和应用场景的细分领域,集中研发力量单点突破,解除卡脖子牢笼的同时,也将能带来丰厚市场回报。 

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