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半导体

是时候关注一下我国MEMS传感器产业化的问题了

MEMS的最大优势是可以利用微电子技术将传感器、执行器和处理电路集成在一起构成单片集成传感器或系统,更可以实现传感器芯片的大规模批量制造,已广泛用于信息、汽车、消费、工控等领域,并成为国际竞争的战略制高点。

今年以来,我国包括代工业务在内的芯片产业面临着前所未有的市场挑战,同时也迎来了更大的发展机遇,传感器作为信息感知的基础芯片也是如此。面对可能存在的供应链风险,国内企业开始着手构建稳定的国内供应链,改变传感器受制于人的被动局面。

我们一定要抓住国产传感器需求迫切的机遇,采取必要的措施,大力推进我国MEMS传感器的产业化发展,提升传感器芯片的自主创新能力。

MEMS传感器具有个性化、分散化特点

集成电路发展迅速的原因是标准化,晶体管是其核心,制造围绕标准单元晶体管进行,产品是即插即用的标准集成电路,技术发展可通过摩尔定律清晰预测。令人遗憾的是,MEMS传感器的特点是个性化的:一是没有像晶体管那样功能强大的标准单元,制造呈现个性化;二是没有像CPU和存储器市场那么大的标准产品,产品呈现个性化。因此,其发展速度远低于业界的预测。

尽管MEMS传感器个性化特点影响了其发展速度,但却有利于我国实现跨越发展。主要体现在两方面:一是制造个性化还没有形成通用制造流程,技术更新换代缓慢,对工艺设备要求远低于集成电路的要求,有利于我国实现制造突破;二是产品个性化带来的是细分市场,产品形态与客户高度关联,单一公司难以垄断,有利于我国发挥本土优势实现应用突破。

设立以产业化为导向的MEMS传感器专项

我国还没有为传感器专门制订过科技计划,尽管在许多国家科技计划中包含传感器的内容,但基本都属于从属地位,没有得到足够的重视,发展速度远不尽如人意,使得国内市场一直被国外产品垄断。另一方面,国产传感器的落后也使得国内用户大多不选用国货,进一步拉大了国产传感器与国外产品差距,造成了产品越没人用越不行的恶性循环。目前的国际芯片供应链形势,给许多国内传感器用户带来了空前的危机感,有了构建国内稳定供应链的迫切需求。

因此,应该抢抓机遇,针对MEMS传感器的特点,尽快设立以产业化为导向的MEMS传感器专项,全力构建MEMS传感器制造体系,扶植有特色的MEMS传感器企业做大做强,提升国产传感器的市场占有率,提升传感器芯片自主能力,改变严重受制于人的局面。

二次开发集成电路产线 构建MEMS传感器制造体系

MEMS传感器制造从本质上讲是基于微电子技术,但与集成电路又有很大不同,因此,不能直接将常规集成电路产线用来制造传感器芯片。集成电路芯片制造的核心是晶体管,制造工艺为平面工艺,关注的主要是电性能。

MEMS传感器芯片制造的核心是微机械结构,需要进行三维微机械结构加工,除了要关注电性能外,更要关注机械和力学等性能。而且,微机械结构呈现个性化,还没有一种像晶体管那样功能强大的标准微机械结构。不过微机械结构的尺寸一般都在微米量级,对工艺设备的要求远低于集成电路,通常的集成电路产线经过二次工艺开发,都能满足MEMS传感器的制造需求。

因此,可通过MEMS传感器专项支持,选择合适的集成电路产线,进行二次工艺开发,打造出适应MEMS传感器个性化制造需求的量产线。

由于MEMS传感器芯片需求量远小于集成电路芯片,而且转产MEMS传感器芯片投入大,为提高集成电路芯片厂转产MEMS传感器芯片的积极性,应对MEMS传感器芯片量产线给予资金支持和税收优惠。同时,选择合适科研机构,建立MEMS传感器芯片研发平台,用于MEMS传感器前期开发样品研制,建立MEMS传感器中试平台,用于MEMS传感器产品开发量产工艺验证,全力构建出我国MEMS传感器制造体系。

发挥本土优势 做大做强企业

MEMS传感器呈现出小批量多品种的个性化特色,不同的传感器产品形态有明显的不同,即使是同一种传感器,使用场合不同其产品形态也有明显的不同。例如,仅汽车压力传感器就有进气压力传感器、机油压力传感器、刹车压力传感器、变速箱压力传感器、燃油箱蒸汽压力传感器、高压共轨压力传感器等,其产品形态与应用场合密切相关,是典型的用户关联产品。

用户关联产品的市场营销需要与用户密切互动,这可充分发挥本土企业与用户沟通便利、进行定制半定制保姆式服务等优势,使本土企业在与国外公司竞争中处于有利地位。

因此,MEMS传感器专项可选择一些用户关联度高、市场规模大和存在供应链风险的产品,如汽车传感器、仪器仪表传感器和量大面广的消费传感器等,扶植有优势的MEMS传感器企业进行产品研发,在MEMS传感器量产线实现量产,提高国产传感器的市场占有率,做大做强本土MEMS传感器企业。

完善我国MEMS传感器产业链

MEMS传感器的产业链包括用户、产品公司和制造体系。由于MEMS传感器的个性化特点,其产品开发必须与用户密切结合,用户是其产业链中的一个重要环节;产品公司根据用户需求,进行MEMS传感器产品开发;由于MEMS传感器的制造涉及芯片加工,工艺线投入大,一般产品公司可通过共享来完成。这三个环节密切联系在一起,产品公司可实现MEMS传感器的大规模销售。

因此,通过MEMS传感器专项的实施,可将我国MEMS传感器的大用户、有优势的MEMS传感器产品公司和研发量产线组织在一起,针对大用户的产品需求,进行相应的产品研发和应用验证,并在集成电路产线进行二次工艺开发,实现传感器大规模量产,打造出我国MEMS传感器产业链,提升国产传感器的市场占有率,解决传感器芯片受制于人的问题。

MEMS传感器的产业化离不开集成电路企业的参与,2010年我国有集成电路企业开始参与MEMS制造。产业链上下游开展产学研用合作,进行了打造MEMS传感器产业链的初步尝试,建立了用户、产品公司和量产线的有机联系,取得了好的效果。目前在无锡华润上华科技有限公司建立的MEMS传感器量产线,代工产品涉及汽车压力传感器、麦克风和红外传感器等产品,代工客户数超过30家,客户包括主板上市企业和科创板上市企业,客户MEMS麦克风的市场份额处在世界前几位,支持了一批MEMS产品公司的发展。

特别是疫情发生后,无锡华润上华科技有限公司参加了工信部组织的红外额温枪联合会战,不到3个月的时间为抗击疫情提供了超过3700万只红外传感器芯片,有的代工客户还是国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制(医疗物资保障组)重点防控物资任务调拨单位,建立的量产线在抗击新冠肺炎疫情的关键时刻发挥了重要作用。

作者王跃林,供职于中国科学院上海微系统与信息技术研究所 

责任编辑:赵强


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