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[综合]中国MEMS技术压力与惯性传感器的现状与发展趋势 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主   发表于: 2016-03-22
中国MEMS技术压力与惯性传感器的现状与发展趋势
谷荣祥
中国传感器协会副理事长
西安中星测控有限公司总经理
“传感器资讯网(www.globalsensors.com.cn)”总编
一、MEMS技术压力和惯性传感器的异同点
MEMS技术问世以来,在压力传感器方面得到了广泛的应用,并且不断地进行产业化发展,目前,已成为中国压力传感器/变送器最引人关注的重点之一。虽然其价值还达不到电容式原理的总价值,但相信其总数量早已超过应用电容原理的压力变送器。
最近几年,MEMS技术在惯性传感器,包括加速度计和角速率陀螺方面得到了长足发展,国外几乎每月都有新的产品和新的应用出现,而中国在MEMS惯性传感器应用方面只是刚刚开始。
由于MEMS技术的特点所限,其在压力传感器和惯性传感器的应用,有着明显的异同点,又由于发展的阶段性不同,其应用也存在极大的区别。
相对于传统的压力传感器(如电容原理)和传统的加速度传感器(如压电原理、机械原理)及传统的陀螺(如机械陀螺、激光陀螺),MEMS技术首先具有尺寸 小、价格便宜的特点,这使得它们的应用范围大大扩大,数量急剧扩大。但又由于MEMS技术温度漂移大、精度低的特点,使得它们难以完全替代其传统原理。
在中国未来几年压力和惯性传感器市场上,传统产品和MEMS技术的产品,将会共同存在,相互竞争。MEMS技术压力传感器/变送器的竞争已经白热化,而MEMS技术惯性传感器的竞争则刚刚打响。
二、压力传感器/变送器的市场现状及发展趋势
MEMS技术压力传感器在中国发展几十年来,市场规模越来越大,特别是随着中国经济的快速崛起,压力传感器的规模也迅速增加,就中国压阻式压力传感器诞生地——陕西省宝鸡市而言,由最初的宝鸡秦岭晶体管一家,发展成以秦明、麦克公司为龙头的宝鸡传感器群约有十三家。
据“传感器资讯网(www.globalsensors.com.cn)”2006年中国MEMS技术压力传感器、变送器生产厂商名录统计,中国现有 MEMS压力传感器制造商,不论规模大小,共有204家(见表十),估计实际数量还要多,分布在全国20个省市自治区(见表一)。其中,厂商最多的为陕西 省,有38家;第二名到第五名为北京35家、安徽省22家、广东省21家、上海市17家。可以生产芯体或充油芯体的有宝鸡麦克、南京高华、沈阳传感器中 心、宝鸡恒通、南京沃天等14家(见表二);真正能制造硅片的厂商仅有沈阳传感器中心、北京青鸟元芯、湖南赛西、昆山双桥四家,占总数的2%。同时,采购 芯体,但在智能变送器方面有突破的约为13家,包括宝鸡麦克、北京昆仑海岸、西安中星测控、蚌埠日月科技(见表四),占总数的6.3%。这些生产制造商很 少拥有自主知识产权(专利),在调查中仅发现四家有:昆山双桥、西安中星测控、北京青鸟元芯、沈阳传感器中心(见表五),占总数的2%,在收录的204家 制造商中,投资规模较大的厂商(见表六),约为13家,约占6%,其中约30%营业面积在 200平方米以下,投资在500万元以下的约占60~80%,投资超过1000万元的约为10~15%。
看中国压力传感器的市场,先要了解中国压力传感器的制造商状况。就传感器资讯网收录的204家厂商而言,其基本情况可以概括如下:1、投资多元化,有国有 独资。如沈阳传感器中心、哈尔滨49所、天水749厂、北京航天701所等13家,约占6.4%;中外合资。如西安中星测控、宝鸡麦克、福建虹润、上海盛泰克、湖北泓盈等约10家,约占5%,其余约80%为自然人合股的有限责任公司。2、投资力度严重不足。据我们分析,投资额在100万以下的约占 55~60%;100~500万约为25~30%;500~1000万约为15~20%,1000万以上约为10~15%。3、生产环境和制造工艺良莠不齐,其中约55~60%的生产方式为作坊式,3%左右有比较良好的生产环境。4、员工人数多少不一,文化层次高低不齐。据分析统计70%厂家员工人数在 100人以内,30%厂家员工人数在20人以内。公司员工中有大学文凭和工程师资格的约占80%,研发人员超过10人的厂商约占30%。5、大多数产品单 一,同质化严重。约有60%左右的厂商没有研发能力,产品老一套,或者模仿别人的外形,这只要看一看大家的广告便知。6、大多数厂商缺乏创新思维和能力。 制度创新、管理创新和技术创新严重不足。7、开拓新市场的能力不足。大多数的小公司之所以生存,仅靠老板的个人关心、依靠少数高利润的客户来维护。整体市场容量扩展过慢。8、国内市场竞争火热,但仅限于价格的竞争。以普通不锈钢外壳,精度0.5%,4~20mA,输出的隔离膜压力变送器为例,市场价从两年 前的均价800~900元,降到现在的600~650元,有些常用量程甚至卖到500元。9、国外推广力度不够,因而出口太少。据调查,美国每年春秋两季 的传感器展会,国内没有厂家参展。去年德国的传感器展,仅有西安中星测控一家参展。国内有压力传感器出口的厂商约有10家,约占5%。
面对不断扩大的市场,制造厂商也有新的变化和发展。首先少数厂商为了占领较大的市场份额,加大投资力度,增加生产设备,提高生产能力。如近两年新增加了近 10家生产充油芯体的厂商;其二,通用产品的竞争使国外品牌的销售价也急骤降低,有多家国外品牌在寻求中国厂商的合作,包括OEM;其三,很多厂商在拓展 新客户的同时,在调整市场思路走更专业化的方向,如昆山双桥,在“高、特、难、新”方向做出了自己的特点。而有些生产芯体的公司,专做芯体不生产变送器。
国外品牌在中国市场份额很大,硅片及塑封PCB安装约占95%,充油芯体约占80%,普通变送器约占50%。其中排名见表八。位于前五名的为美国MSI、瑞士KELLER、美国HONEYWELL、美国GE   NOVA和DRUCK、美国FREESEALE。
中国MEMS技术压力传感器、变送器的总体技术现状有喜有忧。首先核心技术硅片的制造虽有突破。但其稳定性和产品均一性不够,其大批量生产的工艺并不成熟,可以说其核心芯片技术仍未完成掌握;其二,普通压力变送器的变送电路。由于国外芯片技术的快速发展,并没有给中国公司空间,几乎清一色全为外国品牌型号,如AD公司、BB公司、美芯公司、德国公司;其三,充油芯体生产工艺。 经过十几年摸索,宝鸡麦克等公司已基本掌握,但其高端技术(如高精度、高压、微压)仍由国外公司垄断,如瑞士KELLER、美国GE  NOVA 等;其四,压力变送器的整体电路的抗干扰设计、中国大部分公司没能认真研究,大部分产品抗干扰能力差,工业环境难以使用;其五,看似简单的变送器接头,基本上由德国公司垄断,如赫思曼、宾德公司;其六,由于技术的不成熟及市场对国产芯体的不信任,塑封型PCB安装压力传感器和大量的汽车及医疗器械压力传感器,其制造技术几乎处于停滞状态;其七,高稳定性、高精度及数字化的智能压力变送器,国内虽有发展,其核心技术仍未完成消化,往往只知其一,不知其二。如 HONEYWELL的PPT智能压力传感器,国产没法替代;其八,特殊及军用,航天航空压力传感器,如高频响、微尺寸、超高温、超低温,由于技术及市场因素,国内除昆山双桥外,少有公司研究,因而发展受限。
在技术层面上,我们也应看到可喜的一面,沈阳传感器中心和青鸟元芯在压力芯片制造中的突破,为未来国产芯片技术完善并大量应用打下基础,加上我国很多国家级的航天、电子研究所的芯片制造技术的相互组合,如何再有市场因素推动,这样大批量生产为时不远;其二,许多有长期规划的厂商,开始注意专项技术问题的突 破,如昆山双桥公司、防雷击液位传感器、西安中星测控地热水液位变送器、宝鸡麦克的防浪涌防过流变送器等;其三,跟踪国外智能传感器的发展,并不断消化,如宝鸡麦克、西安中星测控独立研究MEMS技术的智能压力变送器,还有很多厂商采用电容式压力变送器的智能化模块到MEMS技术中;其四,由于中国厂商大 批量的生产,其生产工艺也不断地提高,许多公司有自己的工艺“KNOW—HOW”。中国MEMS传感器市场现状和其技术现状有很大联系。市场推动了技术,技术扩大了市场。由于中国压力传感器厂家的现状,决定了或者制约了中国压力传感器的产品性能和质量,也决定了中国压力传感器的市场分布。首先,特种、航空 航天等高可靠的传感器大部分由国家级的大学和研究院所提供,这部分不在我们讨论之列。同时,也应该了解这些传感器的价格是十分高的;其次,应用于电力、石化、钢铁等十分重要部门的压力传感器由于其高可靠性和长期稳定性的要求,基本上由电容式原理的压力变送器所垄断,如美国ROSEMOUT公司的1151、 3051等,日本横河的EJA两大品牌约占中国高端市场的70~80%,两家合计约有20万台的年销量。中、小型企业由众多的中国厂商瓜分。近年来,扩散硅压力传感器开始慢慢进入这些领域,但所占比例不到5%,这既有技术因素,也有用户传统思维方式的影响;其三,在空气压缩机、食品机械领域,国外品牌占据了绝对的份额。如美国MSI,由于采用了自己的核心技术,再加之品牌和成本优势,国内品牌很难竞争;其四,在水处理设施、食品机械、液压系统、工业锅炉、暖通空调、工程及工业自动化等领域,国内众多厂商占据了较大的份额,约为70~80%。
另外,从压力传感器精度看,综合精度0.2%以上的市场80%由国外品牌占领;精度0.2~0.5%之间,国内厂商占80%,精度0.5%以下由于批量和成本因素(包括塑封型)80%由国外占领;从外型尺寸、标准外形,大多数为国外厂商占领;外型变化多,数量不多,但外形特殊的大多数由国内厂商提供;从量程上讲,20Kpa以下大多数为国外品牌,20Kpa~40Mpa之间大多数为国内厂商,40Mpa以上80%又由国外品牌提供。普通压力变送器,国内外品牌竞争十分激烈,数字型普通智能压力传感器和无线压力传感器,由于其市场份额不大,国内外品牌各分秋色。
以上我们分析了MEMS技术压力传感器/变送器的制造商状况和市场状况,根据这个情况,我们分析其发展趋势。
首先,未来几年制造商的数量将会先增后减,从业人数将会增加。随着国家“十一五”规划的制订,尤其是工业自动化、生活舒适化的发展以及压力传感器价格降低和可靠性的提高,其应用领域和范围将进一步扩大,因而会刺激市场和制造商的神经,再加上中国目前市场的现状和许多人愿意当“老板”的心态,不论其规模大 小,其制造商数量会进一步加大。但是,随着中国市场化程度的深入以及客户采购制度的完善,很多搞普通技术制作和作坊式生产方式的小型制造商将很难生存,倒闭是必然趋势。其二。市场容量会进一步扩大,MEMS技术压力传感器市场将会以20%左右的速度增大,很多主流市场的大制造商,把每年的增长目标定为 25~30%便是例证。其三,价格竞争将十分惨烈。以充油芯体为例,通用压力芯体将会从目前200~240元降到150~170元;通用变送器将会降到均 价550~600元。其四,随着制造商数量的减少,大投资商将会逐步介入压力传感器领域,通过合资、重组、兼并、收购等资本组合形式,将会出现一批较大的传感器集团。其五,一批新的具有细分市场专长的制造商会不断涌现,它们将成为市场的新亮点,专业更专业,独具有特色的制造商会增多。其六,随着国际交往的 进一步提高,具有自主知识产权和以出口为导向的制造商会不断涌现,制造水平和研发能力将成为他们制胜的法宝。其七,国外品牌会更多地进入中国,或独资,或合资,或贴牌,或来料加工等将会比过去更多。其八,智能化、网络化、无线型压力传感器市场将会以大于30%的速度扩大,给国内制造商带来挑战和机会。一批注重研发的制造商将会超过老牌的企业,脱颖而出。
MEMS技术惯性传感器,包括加速度计和角速度陀螺,其制造商及市场现状与压力传感器则截然不同。表现特征是技术门槛高、投资力度大、产业化难度大、市场刚刚起步,制造商廖若晨星,赚钱不易,新兴的市场95%掌握在国外品牌手中。
芯片级产品,主要应用于汽车电子、笔记本电脑、消费类电子,几乎全部由国外大公司占占据。如ADI、法意半导体、VTI等品牌。成品级则由美国BEI公司、CROSSBOW公司、日本SSS公司占据了80~90%的市场份额。
十几年来,中国研究芯片级惯性传感器产品的单位主要集中在大学的相关机构,其中大学有清华、北大、哈工大、东南大学等16所高校(见表A)。其中很多大学在MEMS领域投资均在2000~4000万。另外,研究开发并有产品提供的还有七所国家级的研究所,如中科院上海微系统所、重庆26所等(见表B),其中有些院所不但研发,而且还可提供产品。据我们统计,具有研发生产能力的公司有七家(见表C),如无锡美新、西安中星测控等。
最值得一提、也值得中国传感器人骄傲的是:由赵阳博士领导的美新半导体(无锡)有限公司,可以大批量地生产芯片级MEMS的加速度传感器,具有数字输出和模拟输出,产品几乎全部销往美国,这是我们中国传感器界人士学习的榜样。
纵观目前中国MEMS技术惯性传感器的市场及技术现状,以及中国市场经济发展的成熟度,我们认为,其发展趋势将不会像MEMS技术压力传感器那样制造商遍地开花,市场相当分散。
技术含量高、投资额大的特点,使得小型投资创业将十分困难。芯片级制造商可能会出现在国际级研究院所(这依赖于国有研究所的市场机制转换)或国外财团和国内单位合资,投资大、市场不明确、技术和工艺难以掌握,使大多数投资商望而却步。成品级产品市场需求集中,客户要求条件严,且多样化,因而成本高,而客户 低价位的需求,使市场严重不明朗。MEMS技术陀螺和加速度计缺乏统一的标准,使国内外性能难以统一度量,因而市场混乱将会持续几年。总体市场扩大是必然 的,新市场、新应用将不断出现,在机器人、高档玩具的市场已有启动。
MEMS技术惯性传感器,在某种程度上为敏感技术,高精度产品国外拒绝出口,需要我们不断研发,这一市场在军工领域的需求十分明显。
总之,MEMS技术压力和惯性传感器都将呈现较大的增长趋势,而压力传感器制造商将会减少,惯性传感器制造商要增加,中国传感器的春天即将到来。
表A :研究MEMS惯性传感器的大学
机构
名 称
大学
北京清华大学、北京大学、北京航空航天大学、北京理工大学、北京信息工程大学、太原中北大学、哈尔滨工业大学、黑龙江大学、大连理工大学、西北工业大学、上海交通大学、南京航空航天大学、南京东南大学、长沙国防科技大学、重庆大学、浙江大学
表B :研发MEMS惯性传感器的研究所
机 构
名 称
研究所
中国科学院上海微系统研究所、哈尔滨信息49所、沈阳传感器国家工程研究中心、北京航天704所、石家庄信息13所、重庆信息26所、重庆电子24所
表C :研发生产MEMS惯性传感器的公司
机构
名 称
公司
美新半导体(无锡)有限公司、西安中星测控有限公司、太原科泰微电子公司、北京北信科电子厂、山东威海双丰科技发展集团、北京长征火箭技术有限公司、重庆火箭技术公司

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只看该作者 沙发   发表于: 2016-07-10
很好,收藏了
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