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安徽省智能传感器产业发展现状及创新重点

2022-06-30唐志强 刘立杰

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智能传感器凭借其应用灵活、易于编程、功能多样的优点,日益广泛应用于汽车、工业、消费领域。本文围绕产业现状、技术趋势、省内布局、创新重点等方面,全面介绍安徽省智能传感器产业现状并提出智能传感器产业未来发展重点。
       智能传感器是指具有信息处理功能的传感器,相比于传统传感器,智能传感器可通过软件 技术实现编程自动化,在信息的采集、处理和交换上更加灵活,且基于软件实现高精度采集和 功能多样化,又可以反向降低智能传感器的制造难度和成本。如今,智能传感器已被广泛应用 于工业自动化、汽车电子、消费电子等行业。安徽省也在加速布局智能传感器产业,力求在此 领域实现快速突破,从而推动全省集成电路产业高质量发展。

一、产业现状

       据相关预测,2023年我国传感器市场规模将达到2703亿,其中智能传感器规模达到540亿,智能传感器占传感器市场规模比重较2019年提升4.3个百分点,高度集成化的智能传感器 将是传感器产业未来发展方向。

      智能传感器分类方式较多,根据被测量的物理量可分为温度、湿度、压力、流量、图像、速度、位移、气体等类型,按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、压阻式、光电式等类型, 根据应用领域可分为消费类、汽车电子类、工业电子类、医疗电子类,其中消费类智能传感器占市场比重最大。单一产品中市场价值较高的依次是CMOS图像传感器、指纹传感器、压力传感器、加速度计。当前,智能传感器市场被以博世(德国)、意法半导体(瑞 士)、罗姆(日本)、恩智浦(荷兰)、霍尼韦尔(美国)、亚德诺(美国)、英飞凌(美国)、索尼(日本)、楼氏(美 国)、村田(日本)、欧姆龙(日本)、盛思锐(瑞士)为代 表的美日欧企业垄断。据统计,在常用的20000余种传感器中,我国仅能提供6000余种,虽然以美新半导体(惯性MEMS)、汇顶科技(指纹传感器)、豪威科技(图像传感器)、歌尔声学(MEMS麦克风)等为代表的国内企业已占据一定消费类MEMS传感器市场份额,但总体来看国外企业仍垄断我国约90%的高端智能传感器市场[1]。

       智能传感器产业链条是由基础研究与技术开发 (上游)—产品设计(中游)—制造及封装测试(下游) 组成的。产业模式上与其他集成电路产业相似,主要有垂直分工和垂直整合两种模式。我国发展智能传感器相对较晚,绝大部分企业从事传统传感器领域,且小微企业占比高,人才和技术储备的缺失较为严重, 缺乏以MEMS 为代表的智能传感器研发、设计、制造 能力。智能传感器是典型的“一款产品、一套工艺”,设计企业和代工企业的合作开发高度密切相关,中芯国际、上海先进、华润上华等国内集成电路制造企业也能提供代工服务,但在智能传感器的开发能力和工艺技术储备上还存在不足[2]。

二、技术趋势

       智能传感器作为感知层核心部件,主要用于信息采集处理, 其技术趋势与应用行业发展要求保持高度一致,未来主要向更加集成化、智能化、微型化、多样化等方向发展。

       1.集成化

       主要是指将不同敏感元件集成在单硅片上,变单一数据采集功能为多数据采集功能,实现“一器多用”,容易实现补偿和校正功能的同时也更符合终端设备对传感模块小体积、轻型化的发展要求,如ADI的惯性传感IMU就集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器等多种传感功能。此外,同种传感器多数量集成为微传感阵列也是一个发展方向,主要用于增强功能,如线性CCD图像传感器。

       2.智能化

       主要是基于多功能集成带来更加智能化的信号 探测、变换处理、逻辑判断、功能计算和内部自检、自 校、自补偿、自诊断功能。此外,与生物化学、大数据、 无线传感、定位技术等其他领域新兴技术的融合也进 一步拓宽了智能化的外延范围。

       3.微型化

       主要是以CMOS为代表的微纳电子加工技术(氧化、光刻、刻蚀、掺杂、沉积和扩散等)和微机械三维立体精密加工技术(微细电火花EDM、超声波加工、微铸塑、微电镀等)引入智能传感器制造前道过程中,以及把封装、测试、划片、切割等半导体工艺流程引入智能 传感器制造后道过程中。先进工艺的应用不断推动传感器步入微米级甚至纳米级,在实现部件小型化的同 时也进一步降低了智能传感器的功耗。

       4.多样化

       一方面是采用新型敏感材料。除传统半导体材料外,光导纤维、有机敏感材料、陶瓷材料、超导材料和生物材料已成为研究热点,生物传感器、光纤传感器等新型智能传感器加快涌现。另一方面是传感技术与光学、生物学、自动控制、化学等学科的交叉融合,进一步拓宽了传感器应用范围。

       除上述主要趋势外,具体应用的灵敏度、精度、可靠性要求,也影响着该领域智能传感器的发展趋势。

三、省内布局

       安徽省智能传感器企业主要有两类,一类是凭借半导体器件研发制造基础延伸至智能传感器领域,以华东光电集成器件研究所为代表;另一类是以智能传感器为主导业务成立的新兴企业,如安徽芯动联科、 奥菲声学等。

       从产业基础能力上看,安徽省是全国三大传感器研发制造基地之一(蚌埠),建有全国首条6英寸0.5微米级MEMS产线,兵工214所率先攻克了国产高G值MEMS加速度计并拥有“微电子机械系统(MEMS) 国家地方联合工程实验室”国家级创新平台。传统传感器领域拥有天平机械、祈艾特、协力仪控等较大规模企业,基础较为扎实。安徽省作为家电、汽车、设备制造和原材料工业大省,消费级、工业级、车规级等各类智能传感器需求基数庞大,随着物联网、医疗电子、 智能驾驶、机器人等新兴产业快速发展,智能传感器应用领域将更加广阔。

       从产业链技术链上看,安徽省智能传感器产业链基本完整,各环节均有布局。基础研究与技术开发(上游)环节,华东光电集成器件研究所从事智能传感器基础研究、技术开发并具有代工能力。产品设计(中游)环节,安徽水联水务掌握超声波流量计核心技术, 创发微电子、松豪电子在电容触控及指纹识别传感器领域具有较强竞争力,合肥芯福从事非制冷红外传感等MEMS光电传感器的开发设计,海图微电子从事CMOS图像传感器的开发设计,安徽芯动联科、集芯电子科技、合肥方程式、合肥微纳、安徽微泰导航、合肥聚纳芯智能等企业从事MEMS气体、光敏、压力、温 度、加速度计等智能传感器的开发设计。制造及封装测试(下游)环节,合肥力晶提供触控传感器、CMOS图像传感器代工业务,长电科技(滁州)、合肥通富微、池州华宇电子、讯喆微电子(合肥)可以提供封装及测试服务。此外,凯盛科技、奥菲声学、智敏电气、天康股份等企业可提供力敏、热电偶、压电薄膜等敏感元件,其中奥菲声学PZT材质、ZnO材质压电薄膜性能均达到国际先进水平并已用于MEMS声学麦克风、MEMS 听筒、微超声换能器(PMUT)。

四、创新重点

      安徽省智能传感器应着重从加强基础研究、攻关 共性技术和丰富产品矩阵三个层面推进创新。

       1.加强基础研究

       围绕智能传感器设计开发涉及的新原理、新器 件、新材料等基础领域开展研究,在智能传感器微系统架构、微观结构模型、器件加工方法、材料性质测定分析等方面实现经验积累和理论突破;着重提升现有智能传感器产品的精度、灵敏度、可靠性等核心指标; 开展优势细分领域智能传感器技术标准化研究。

       2.攻关共性技术

       以智能传感器制造和封测领域的关键共性技术为目标,重点攻关光刻、沉积镀膜、刻蚀、外延生长(掺杂)、切割减薄、电镀、键合贴片等通用技术和硅(玻璃)表面微加工、表面微加工牺牲层工艺、体硅加工、通孔制作等特殊技术;基于智能传感器多采用较大线宽成熟制程特点,注重加强国产设备和原材料在技术攻关过程中同步试用及改良。

       3.丰富产品矩阵

       围绕安徽省智能家电、汽车电子、设备制造、原材料冶炼等主导产业和5G、物联网、智慧教育、智慧医疗等新兴产业需求,以核心应用替换为基础、结合应用多元化开发系列产品,重点研发以加速度计、高精 度压力传感器、多轴陀螺仪、硅麦克风、射频传感器、 高灵敏度气体传感器、电子罗盘等为代表的MEMS智能传感器;鼓励各细分领域优质企业与高校、科研院所组建产业联合体,增强多传感器系统性、综合性集成解决方案的供给能力。

       本文系安徽省科技创新战略与软科学研究项目“半导体产业国内外科技创新政策跟踪比较研究”(编号:202006f01050050) 的研究成果 

       参考文献
       [1] 冯锦锋,马进.一砂一世界:一书读懂MEMS产业的现状与未来[M].北京:机械工业出版社,2019:147-159.
       [2] 刘若冰,曹赞.智能传感器产品体系架构及其应用[J].信息技术与标准化,2021(4):54-58.
责任编辑:杨培
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