智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

石莎莉 王旭

當今社會已經(jīng)進入萬物互聯(lián)時代，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展。預計到2020年可達到萬億美元的市場規(guī)模，隨著國內(nèi)加快建設智慧城市的步伐，物聯(lián)網(wǎng)市場年增速保持在20%以上。全球科技巨頭紛紛布局物聯(lián)網(wǎng)，包括國際商業(yè)機器公司（IBM）的Watson物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、英特爾（Intel）公司的Edison平臺、微軟公司的Windows10 IOT物聯(lián)網(wǎng)核心專業(yè)版、思科（Cisco）公司的IOT系統(tǒng)、三星集團的物聯(lián)網(wǎng)設備芯片Artik和物聯(lián)網(wǎng)操作系RTOS、阿里集團的阿里云、阿里智能和Yun OS、百度公司的Baidu IOT平臺、騰訊公司的QQ物聯(lián)。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)入口。傳感器，作為一種檢測裝備，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。根據(jù)人的視聽觸嗅味五覺，按基本感知功能劃分，傳感器可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等10大類，這些傳感器都可以歸為物理類、化學類、生物類3大塊，而物理型傳感器分為結(jié)構(gòu)型傳感器（物理規(guī)律）和物性型傳感器（材料特性）。

一、傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來大量傳感器的應用需求，形成當前的傳感器市場格局。根據(jù)美國BCC Research公司的數(shù)據(jù)，預計到2021年全球傳感器復合增長率為11%，規(guī)模達到1 906億美元。中國傳感器市場規(guī)模2020年復合年增長率為9.5%，市場規(guī)模突破1 800億元。當前全球傳感器產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)形成以美、日、德企為主導的全球傳感器市場。2013年美國、日本、德國占據(jù)近60%的市場份額，博世集團、意法半導體（ST）集團、霍尼韋爾國際、飛思卡爾半導體公司、日立集團等傳統(tǒng)的電子行業(yè)巨頭，都把傳感器作為未來業(yè)務的主要增長點。中國傳感器市場中70%左右的份額被意法半導體集團、英飛凌科技公司、博世集團等外資企業(yè)占據(jù)，具體分布如表1。

回顧傳感器的發(fā)展歷程，自從20世紀50年代伊始，經(jīng)歷了3大發(fā)展階段，從最原始的結(jié)構(gòu)型傳感器演變?yōu)楣腆w傳感器以及最新的智能傳感器微機電系統(tǒng)（MEMS）。在萬物互聯(lián)的時代，將需要大量智能化的新型傳感器來實現(xiàn)智慧城市的多種功能。與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS傳感器在尺寸、性能、智能化等方面都具有明顯的優(yōu)勢，具有自診斷功能、記憶功能、多參數(shù)測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能，將成為傳感器發(fā)展的新方向。

MEMS傳感器已經(jīng)成為智能傳感器發(fā)展的主流方向，具體分類如表2。MEMS智能傳感器產(chǎn)品已經(jīng)深入應用到各個領(lǐng)域，進入到萬物互聯(lián)時代，智能硬件、智能汽車、智能工業(yè)等將大幅拉升MEMS傳感器的出貨量。Yole預計2021年全球MEMS市場的復合年增長率（CAGR）達到8.9%，規(guī)模到200億美元。

MEMS是多學科交叉的復雜系統(tǒng)，整個產(chǎn)業(yè)鏈涉及設計、制造、封裝測試等環(huán)節(jié)。設計，大概占20億美元市場規(guī)模，分為MEMS設計（典型代表企業(yè)有美國InvenSense公司）和ASIC設計（典型代表企業(yè)有樓氏集團）；制造，分為MEMS制造（典型代表企業(yè)有意法半導體（ST）集團、德州儀器公司（TI）、臺灣積體電路制造股份有限公司）和ASIC制造（典型代表企業(yè)有臺灣積體電路制造股份有限公司、中芯國際集成電路制造有限公司）；封測測試，大概占5億美元，分為晶圓級封裝（典型代表企業(yè)有臺灣精材股份有限公司、晶方半導體科技（蘇州）有限公司、天水華天科技股份有限公司）和其他封裝（典型代表企業(yè)有日月光集團、安靠科技公司（Amkor）、京元電子股份有限公司、菱生精密工業(yè)股份有限公司）。IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件制造）從設計到制造和封裝測試一條龍，大概占80億美元，典型代表企業(yè)有意法半導體（ST）集團、德州儀器公司（TI）、博世集團、松下集團、愛普生集團、佳能集團、飛思卡爾半導體公司、羅姆半導體集團等。

這個產(chǎn)業(yè)的特點是從設計到制造高度定制化，對設計與制造的集成要求很高。傳統(tǒng)互補金屬氧化物（CMO）S芯片高度標準化，材料種類有限，只能使用硅及與硅兼容的材料，加工區(qū)域集中在晶圓的表面進行二維加工，制造工序標準化，封裝測試標準化，基本單元采用三極管，商業(yè)模式大多數(shù)已經(jīng)從IDM轉(zhuǎn)換成設計（Fabless）+代工（Foundry）；通過對比，MEMS芯片高度定制化，材料種類千差萬別，經(jīng)常用到與CMOS不兼容的金屬、聚合物、陶瓷材料等，加工區(qū)域常用體硅工藝、深度加工、三維結(jié)構(gòu)，制造工序方面，不同類型器件采用不同工藝，同一種MEMS器件不同廠商使用的加工工藝也不相同，封裝測試方面，MEMS與專用集成電路ASIC集成起來進行封裝，難度大幅提升，無統(tǒng)一基本元件，商業(yè)模式仍然以IDM為主，部分創(chuàng)業(yè)企業(yè)專注于設計或代工。總之，集成電路產(chǎn)業(yè)通過單一工藝即可支持整個產(chǎn)品世代，其產(chǎn)品制造工藝標準化程度高，批量化生產(chǎn)相對簡易，而MEMS產(chǎn)品種類豐富、功能各異，工藝開發(fā)過程中呈現(xiàn)出“一類產(chǎn)品，一種制造工藝”的特點。

全球領(lǐng)先的MEMS企業(yè)以IDM居多，主要集中在歐美發(fā)達國家，前10大企業(yè)基本占超過50%市場份額，像博世集團、意法半導體（ST）集團、德州儀器公司（TI）、惠普集團（HP）等。近年營收前30名的只有2個中國廠商，生產(chǎn)MEMS麥克風的瑞聲科技控股有限公司、歌爾股份有限公司。國際MEMS傳感器細分市場熱點與重點企業(yè)分布詳見表3。

在MEMS制造業(yè)中，純MEMS代工廠蓄勢待發(fā)。MEMS代工主要有2種類型，IDM廠商提供的MEMS代工和獨立的代工廠提供的MEMS代工。2020年全球MEMS代工市場規(guī)模可以達到8.6億美元，以3.7%復合增長率增長。由于小批量多品種的特點，獨立MEMS代工廠投資較為謹慎，但市場需求迫切，IDM廠商提供代工越來越成為主流。

由于MEMS器件具有高度定制化、制程控制與材質(zhì)特殊的特點，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈中的末端，MEMS封裝測試業(yè)占據(jù)整個產(chǎn)業(yè)鏈70%成本，需要精簡測試并盡量減少封裝失敗能夠大幅降低成本。目前具備MEMS封裝測試能力的國際廠商主要有日月光集團、安靠科技公司（Amkor）、硅品精密工業(yè)股份有限公司、力成科技股份有限公司等，國內(nèi)有天水華天科技股份有限公司、江蘇長電科技股份有限公司、晶方半導體科技（蘇州）有限公司等廠商，這些國內(nèi)廠商都在積極布局MEMS先進封裝生產(chǎn)線，并表現(xiàn)出強悍的實力，已經(jīng)具備國際競爭力。

綜合看我國MEM傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與主要布局，從產(chǎn)業(yè)規(guī)?？?，已經(jīng)集聚企業(yè)及機構(gòu)超過400余家；從技術(shù)創(chuàng)新看，已經(jīng)有一批掌握核心、關(guān)鍵、高質(zhì)量專利技術(shù)的企業(yè)，包括硅麥克風國內(nèi)最高水平可規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的工藝，世界一流的晶圓級芯片封裝工藝和MEMS與CMOS的集成工藝，以及高端壓力傳感器、RF MEMS傳感器、微鏡等工藝和器件技術(shù)；從專利情況看，MEMS領(lǐng)域中國專利申請量占全球比例已有明顯提升。

二、我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

從產(chǎn)業(yè)規(guī)?？矗刂?015年，中國MEMS產(chǎn)業(yè)集聚企業(yè)及機構(gòu)400余家，MEMS市場規(guī)模從2011年的170億元，提高到2015年的313億元，占全球MEMS產(chǎn)業(yè)市場份額的37.5%（含英飛凌、博世等在國內(nèi)的產(chǎn)值）。從技術(shù)創(chuàng)新看，國內(nèi)已有一批掌握核心、關(guān)鍵、高質(zhì)量專利技術(shù)的企業(yè)，包括硅麥克風國內(nèi)最高水平可規(guī)模產(chǎn)業(yè)化工藝，世界一流的晶圓級芯片封裝工藝和MEMS與CMOS的集成工藝，以及高端壓力傳感器、RF MEMS傳感器、微鏡等工藝和器件技術(shù)。從專利情況看，MEMS領(lǐng)域中國專利申請量占全球比例由近10年的26%提升至近5年的33%。

然而我國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題和發(fā)展瓶頸，一是創(chuàng)新能力較弱，傳感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊應用的高端方面與國外差距巨大，中高檔傳感器產(chǎn)品幾乎100%從國外進口，90%芯片依賴國外；在國際MEMS領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)從單個器件開發(fā)轉(zhuǎn)到傳感器融合與多軸傳感器組合開發(fā)模式時，中國企業(yè)大多還從事單個器件的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作。二是關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，設計技術(shù)、封裝技術(shù)、裝備技術(shù)等方面都存在較大差距；國產(chǎn)傳感器可靠性比國外同類產(chǎn)品低1～2個數(shù)量級，傳感器封裝尚未形成系列、標準和統(tǒng)一接口。傳感器工藝裝備研發(fā)與生產(chǎn)被國外壟斷。三是產(chǎn)業(yè)配套體系尚不健全，中試、代工制造工藝能力不足；目前還沒有建立起針對MEMS的批量封裝與測試能力，缺乏通用測試平臺；針對平臺發(fā)展、專項投入、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)等資金投入有待提高。四是企業(yè)能力較弱，我國傳感器產(chǎn)業(yè)鏈雖已初步完整，但是企業(yè)95%以上屬小型企業(yè)，各自為戰(zhàn)的企業(yè)很難對抗國際IDM的巨頭；從目前市場份額和市場競爭力指數(shù)來看，外資企業(yè)仍占據(jù)較大的優(yōu)勢。

三、結(jié)語

為實現(xiàn)國家意志，近幾年，發(fā)展智能傳感器產(chǎn)業(yè)已上升為國家戰(zhàn)略。2013年，《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動》提到高端傳感器產(chǎn)品和服務市場占有率提高到50%以上。2014年，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》提出開發(fā)基于新業(yè)態(tài)、新應用的傳感器等關(guān)鍵芯片。2015年，《中國制造2025》提出推進信息化與工業(yè)化深度融合，研發(fā)具有深度感知智能決策，突破新型傳感器；強化工業(yè)基礎能力，做好核心基礎零部件?！丁盎ヂ?lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》提出著力在智能感知元器件等核心環(huán)節(jié)取得突破。2017年，傳感器已上升至國家戰(zhàn)略，有望單獨進入國家創(chuàng)新中心，《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017-2019）》已審議通過，將對傳感器全產(chǎn)業(yè)鏈進行扶持，指南部署了4大任務：一是補齊設計、制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)短板，推進智能傳感器向中高端升級；二是面向消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、健康醫(yī)療等重點行業(yè)領(lǐng)域，開展智能傳感器應用示范；三是建設智能傳感器創(chuàng)新中心，進一步完善技術(shù)研發(fā)、標準、知識產(chǎn)權(quán)、檢測及公共服務能力，助力產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展；四是合理規(guī)劃布局，進一步完善產(chǎn)業(yè)鏈，促進產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展。