智能传感器产业发展研究
2018-09-04
当今社会已经进入万物互联时代，全球物联网产业正在高速发展。预计到2020年可达到万亿美元的市场规模，随着国内加快建设智慧城市的步伐，物联网市场年增速保持在20%以上。全球科技巨头纷纷布局物联网，包括国际商业机器公司(IBM)的Watson物联网系统、英特尔(Intel)公司的Edison平台、微软公司的Windows10 IOT物联网核心专业版、思科（Cisco）公司的IOT系统、三星集团的物联网设备芯片Artik和物联网操作系RTOS、阿里集团的阿里云和阿里智能和YunOS、百度公司的Baidu IOT平台、腾讯公司的QQ物联。
传感器是物联网的数据入口。传感器，作为一种检测装备，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。根据人的视听触嗅味五觉，按基本感知功能划分，传感器可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等10大类，这些传感器都可以归为物理类、化学类、生物类3大块，而物理型传感器分为结构型传感器（物理规律）和物性型传感器（材料特性）。
一、传感器发展现状
物联网的发展带来大量传感器的应用需求，形成当前的传感器市场格局。根据美国BCC Research公司的数据，预计到2021年全球传感器复合增长率为11%，规模达到1 906亿美元。中国传感器市场规模2020年复合年增长率为9.5%，市场规模突破1 800亿元。当前全球传感器产业格局已经形成以美、日、德企为主导的全球传感器市场。2013年美国、日本、德国占据近60%的市场份额，博世集团、意法半导体(ST)集团、霍尼韦尔国际、飞思卡尔半导体公司、日立集团等传统的电子行业巨头，都把传感器作为未来业务的主要增长点。中国传感器市场中70%左右的份额被意法半导体集团、英飞凌科技公司、博世集团等外资企业占据，具体分布如下表1。
回顾传感器的发展历程，自从20世纪50年代伊始，经历了3大发展阶段，从最原始的结构型传感器演变为固体传感器以及最新的智能传感器（MEMS）。在万物互联的时代，将需要大量智能化的新型传感器来实现智慧城市的多种功能。与传统传感器相比，MEMS传感器在尺寸、性能、智能化等方面都具有明显的优势，具有自诊断功能、记忆功能、多参数测量功能以及联网通信功能，将成为传感器发展的新方向。
MEMS传感器已经成为智能传感器发展的主流方向，具体分类如表2。MEMS智能传感器产品已经深入应用到各个领域，进入到万物互联时代，智能硬件、智能汽车、智能工业等将大幅拉升MEMS传感器的出货量。Yole预计2021年全球MEMS市场的复合年增长率（CAGR）达到8.9%，规模到200亿美元。
表2 MEMS智能传感器分类
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MEMS是多学科交叉的复杂系统，整个产业链涉及设计、制造、封装测试等环节。设计，大概占20亿美元市场规模，分为MEMS设计（典型代表企业有美国InvenSense 公司）和ASIC设计（典型代表企业有楼氏集团）；制造，大概占MEMS/ASIC 10/4亿美元，分为MEMS制造（典型代表企业有意法半导体(ST)集团、德州仪器公司（TI）、台湾积体电路制造股份有限公司）和ASIC制造（典型代表企业有台湾积体电路制造股份有限公司、中芯国际集成电路制造有限公司）；封测测试，大概占5亿美元，分为晶圆级封装（典型代表企业有台湾精材股份有限公司、晶方半导体科技(苏州)有限公司、天水华天科技股份有限公司）和其他封装（典型代表企业有日月光集团、安靠科技公司（Amkor）、京元电子股份有限公司、菱生精密工业股份有限公司）。IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）从设计到制造和封装测试一条龙，大概占80亿美元，典型代表企业有意法半导体（ST）集团、德州仪器公司（TI）、博世集团、松下集团、爱普生集团、佳能集团、飞思卡尔半导体公司、罗姆半导体集团等。
这个产业的特点是从设计到制造高度定制化，对设计与制造的集成要求很高。传统CMOS[l1] 芯片高度标准化，材料种类有限，只能使用硅及与硅兼容的材料，加工区域集中在晶圆的表面进行二维加工，制造工序标准化，封装测试标准化，基本单元采用三极管，商业模式大多数已经从IDM转换成Fabless+Foundry；通过对比，MEMS芯片高度定制化，材料种类千差万别，经常用到与CMOS不兼容的金属、聚合物、陶瓷材料等，加工区域常用体硅工艺、深度加工、三维结构，制造工序方面，不同类型器件采用不同工艺，同一种MEMS器件不同厂商使用的加工工艺也不相同，封装测试方面，MEMS与ASIC集成起来进行封装，难度大幅提升，无统一基本元件，商业模式仍然以IDM为主，部分创业企业专注于设计或Foundry。总之，集成电路产业通过单一工艺即可支持整个产品世代，其产品制造工艺标准化程度高，批量化生产相对简易，而MEMS产品种类丰富、功能各异，工艺开发过程中呈现出“一类产品，一种制造工艺”的特点。
全球领先的MEMS企业以IDM居多，主要集中在欧美发达国家，前10大企业基本占超过50%市场份额，像博世集团、意法半导体（ST）集团、德州仪器公司（TI）、惠普集团（HP）等。近年营收前30名的只有2个中国厂商，生产MEMS麦克风的瑞声科技控股有限公司、歌尔股份有限公司。国际MEMS传感器细分市场热点与重点企业分布详见表3。
在MEMS制造业中，纯MEMS代工厂蓄势待发。MEMS代工主要有2种类型，IDM厂商提供的MEMS代工和独立的代工厂提供的MEMS代工。2020年全球MEMS代工市场规模可以达到8.6亿美元，以3.7%复合增长率增长。由于小批量多品种的特点，独立MEMS代工厂投资较为谨慎，但市场需求迫切，IDM厂商提供代工越来越成为主流。
由于MEMS器件具有高度定制化、制程控制与材质特殊的特点，MEMS产业链中的末端，MEMS封装测试业占据整个产业链70%成本，需要精简测试并尽量减少封装失败能够大幅降低成本。目前具备MEMS封装测试能力的国际厂商主要有日月光集团、安靠科技公司（Amkor）、硅品精密工业股份有限公司、力成科技股份有限公司等，国内有天水华天科技股份有限公司、江苏长电科技股份有限公司、晶方半导体科技(苏州)有限公司等厂商，这些国内厂商都在积极布局MEMS先进封装生产线，并表现出强悍的实力，已经具备国际竞争力。
综合看我国MEM传感器产业发展现状与主要布局，从产业规模看，已经集聚企业及机构超过400余家；从技术创新看，已经有一批掌握核心、关键、高质量专利技术的企业，包括硅麦克风国内最高水平可规模产业化的工艺，世界一流的晶圆级芯片封装工艺和MEMS与CMOS的集成工艺，以及高端压力传感器、RF MEMS传感器、微镜等工艺和器件技术；从专利情况看，MEMS领域中国专利申请量占全球比例已有明显提升。
二、我国MEMS传感器产业发展现状
产业规模看，截止2015年，中国MEMS产业集聚企业及机构400余家，MEMS市场规模从2011年的170亿元，提高到2015年的313亿元，占全球MEMS产业市场份额的37.5%（含英飞凌、博士等在国内的产值）。从技术创新看，国内已有一批掌握核心、关键、高质量专利技术的企业，包括硅麦克风国内最高水平可规模产业化工艺，世界一流的晶圆级芯片封装工艺和MEMS与CMOS的集成工艺，以及高端压力传感器、RF MEMS传感器、微镜等工艺和器件技术。从专利情况看，MEMS领域中国专利申请量占全球比例由近10年的26%提升至近5年的33%。
然而我国MEMS传感器产业发展存在的主要问题和发展瓶颈，一是创新能力较弱，传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面与国外差距巨大，中高档传感器产品几乎100%从国外进口，90%芯片依赖国外；在国际MEMS领先企业已经从单个器件开发转到传感器融合与多轴传感器组合开发模式时，中国企业大多还从事单个器件的开发与产业化工作。二是关键技术尚未突破，设计技术、封装技术、装备技术等方面都存在较大差距；国产传感器可靠性比国外同类产品低1～2个数量级，传感器封装尚未形成系列、标准和统一接口。传感器工艺装备研发与生产被国外垄断。三是产业配套体系尚不健全，中试、代工制造工艺能力不足；目前还没有建立起针对MEMS的批量封装与测试能力，缺乏通用测试平台；针对平台发展、专项投入、关键技术研发等资金投入有待提高。四是企业能力较弱，我国传感器产业链虽已初步完整，但是企业95%以上属小型企业，各自为战的企业很难对抗国际IDM的巨头；从目前市场份额和市场竞争力指数来看，外资企业仍占据较大的优势。
三、结语
为实现国家意志，近几年，发展智能传感器产业已上升为国家战略。2013年，《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动》提到高端传感器产品和服务市场占有率提高到50%以上。2014年，《国家集成电路产业发展推进纲要》提出开发基于新业态、新应用的传感器等关键芯片。2015年，《中国制造2025》提出推进信息化与工业化深度融合，研发具有深度感知智能决策，突破新型传感器；强化工业基础能力，做好核心基础零部件。《“互联网+”行动的指导意见》提出着力在智能感知元器件等核心环节取得突破。2017年，传感器已上升至国家战略，有望单独进入国家创新中心，《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019）》已审议通过，将对传感器全产业链进行扶持，指南部署了4大任务：一是补齐设计、制造关键环节短板，推进智能传感器向中高端升级；二是面向消费电子、汽车电子、工业控制、健康医疗等重点行业领域，开展智能传感器应用示范；三是建设智能传感器创新中心，进一步完善技术研发、标准、知识产权、检测及公共服务能力，助力产业创新发展；四是合理规划布局，进一步完善产业链，促进产业集聚发展。
