全球MEMS傳感器專家技術(shù)交流紀(jì)要：人形機(jī)器人中傳感器占總成本的近50%

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一、綜述

1.MEMS技術(shù)與觸覺傳感應(yīng)用趨勢

MEMS傳感器技術(shù)在觸覺傳感器市場中占據(jù)約 40%的份額，主要應(yīng)用于智能機(jī)器人和車載智能系統(tǒng)。相比之下，PDMS等聚合物材料技術(shù)占據(jù) 約60%的市場份額，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測等領(lǐng)域。雖然MEMS傳感器和基于油性材料的觸覺傳感器在性能和價格上存在差異，但具體比較數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步調(diào)研。

2.MEMS傳感器市場與成本分析

技術(shù)路線差異：MEMS傳感器中的mx(假設(shè)代指某型號)技術(shù)具有體積小、精度高的優(yōu)點，但對工況要求較高，量產(chǎn)時成本可降低。相比之下，PDMS類傳感器體積較大，精度不高，重復(fù)性及部分性能指標(biāo)略遜一籌。

成本分析：國內(nèi)外晶圓成本并無顯著差異，主要區(qū)別在于良率和特殊要求。MEMS傳感器的整體成本控制在1-2元，量產(chǎn)后可能更低。 應(yīng)用分布與要求：不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)EMS傳感器的精度、重復(fù)性、壽命等指標(biāo)要求各異。例如， 機(jī)器人所需的傳感器成本相對較高，并受產(chǎn)量影響大。 特斯拉人形機(jī)器人采用MEMS技術(shù)，由于空間和性能要求的限制，使其成為唯一選擇。

3.提升MEMS傳感器性能之難題

MEMS傳感器技術(shù)挑戰(zhàn)半導(dǎo)體特性導(dǎo)致溫度漂移較大，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。日本的MEMS技術(shù)工藝復(fù)雜，主要使用PECVD工藝在薄膜上濺射電阻。

MEMS芯片脆弱性問題核心難點在于芯片的脆弱性，承載力有限，目前尚無法很好地解決在六維力矩中的脆弱性問題。

成本降低趨勢：盡管利用MEMS技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)變片可能短期內(nèi)難以大幅降低六維力矩傳感器的成本并提高量產(chǎn)效率，但由于半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高，盡管熱穩(wěn)定性差限制了其在極端環(huán)境下的應(yīng)用，但仍預(yù)示著市場對MEMS傳感器的需求將保持增長。

4.MEMS傳感器成本與技術(shù)分析

產(chǎn)品技術(shù)升級：采用半導(dǎo)體工藝對MEMS傳感器生產(chǎn)進(jìn)行自動化升級可以提高效率和產(chǎn)量，但成本并未大幅降低，仍需人工貼片。對于客戶端而言，成本可能降低，但效率提升不顯著。

行業(yè)動態(tài)：國內(nèi)外均有公司沿著MEMS六維力矩傳感器開發(fā)路線進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)。盡管存在脆弱性問題，但由于新興機(jī)器人和智能駕駛對力量要求較低，應(yīng)用場景廣泛，預(yù)計市場對MEMS傳感器的需求將持續(xù)增長。

成本構(gòu)成分析：核心彈性體的制造工藝占據(jù)了MEMS傳感器成本的40%-50%,而半導(dǎo)體技術(shù)的工藝成本高，材料成本相對較低。這意味著創(chuàng)新點需要放在成本控制和工藝改進(jìn)上。

5.專家探討MEMS傳感器設(shè)計與應(yīng)用

MEMS傳感器的設(shè)計和制造難點：MEMS傳感器在設(shè)計和工藝上存在挑戰(zhàn)，如動態(tài)響應(yīng)、非線性問題和高制造一致性要求，這些因素促成了其較高的成本。

國內(nèi)對于六維力傳感器技術(shù)的掌握不足：國內(nèi)企業(yè)尚未在六維力傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的技術(shù)突破和產(chǎn)品呈現(xiàn)，與國際先進(jìn)水平存在較大差距。 特斯拉及國內(nèi)機(jī)器人對MEMS傳感器的使用趨勢：特斯拉傾向于采用尖端標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的MEMS傳感器，而國內(nèi)機(jī)器人可能更多采用成本效益更高的柔性傳感器。預(yù)計未來趨勢是MEMS傳感器的主導(dǎo)性將更加明顯。

6.MEMS力矩傳感技術(shù)及其挑戰(zhàn)

MEMS力矩傳感器技術(shù)正在發(fā)展中，當(dāng)前適用于負(fù)荷較輕的場合，如某些手術(shù)，但需進(jìn)一步研究和優(yōu)化才能適用于更復(fù)雜場景。

成本問題是MEMS力矩傳感器面臨的挑戰(zhàn)，特斯拉等公司正尋求解決此問題。傳統(tǒng)六維力矩傳感器價格高昂，而MEMS技術(shù)有望實現(xiàn)成本降低。 MEMS傳感器市場潛力巨大，一方面需求持續(xù)增長，另一方面進(jìn)入門檻較高。對于未來開發(fā)更高承載力、體積更小的傳感器具有明顯的商業(yè)前景。

7.MEMS傳感器成本腰斬可期

壓力傳感器精確度提升后，價格可達(dá)到上千元。半導(dǎo)體成本在量產(chǎn)和工藝改進(jìn)后至少可減半。設(shè)計質(zhì)量占傳感器性能的80%,剩余20%由工藝質(zhì) 量決定。設(shè)計優(yōu)化對降低工藝成本有著至關(guān)重要的影響。

傳感器在高智能化設(shè)備中占據(jù)較高成本比例，如人形機(jī)器人中傳感器等部件占總成本的近50%。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，MEMS傳感器的成本有望大幅降低。

二、Q&A

Q:目前有哪兩種主流的觸覺傳感器技術(shù)，它們的性能和價格對比如何?

A:當(dāng)前市面上主要有兩種觸覺傳感器技術(shù)：一種是基于MEMS的技術(shù)，另一種是運用所謂的彈性材料，如PDMS或PTV等。就性能而言，MEMS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的產(chǎn)品中，尤其在某些機(jī)器人和智能車載系統(tǒng)中占據(jù)較大的比重，大約占到60%左右。彈性材料技術(shù)在市場上的占比約為40%。至于價格，具體數(shù)據(jù)在對話中未提及，所以無法進(jìn)行準(zhǔn)確的對比。MEMS技術(shù)由于其精密和先進(jìn)的特性，可能在成本上會高于使用彈性材料的傳感器，但由于未給出具體數(shù)據(jù)，這只是基于行業(yè)常識的推測。

Q:在哪些具體的應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS技術(shù)的觸覺傳感器優(yōu)于其他技術(shù)?

A:MEMS的觸覺傳感器，由于它們的先進(jìn)性，主要被應(yīng)用在高端的產(chǎn)品上。例如，在某些高級機(jī)器人上，以及車載智能系統(tǒng)中，MEMS傳感器更受青睞。此外，MEMS傳感器也因其柔性特性而在醫(yī)療領(lǐng)域有所應(yīng)用，特別是在手術(shù)中和術(shù)后檢測參數(shù)時供醫(yī)生使用，它們在這方面的應(yīng)用也相對較多。

Q:MEMS傳感器的技術(shù)路線和特點有哪些?市場上不同技術(shù)路線的MEMS傳感器價格和性能上有什么差異?

A:MEMS傳感器的技術(shù)路線有麥克斯(MAX)和基于PDMS材料的兩種路徑。麥克斯技術(shù)具備體積小、精度高的優(yōu)勢，但由于其采用半導(dǎo)體工藝， 存在溫飄問題，即在不同溫度下輸出波動較大， 難以適應(yīng)極端工作環(huán)境。如無補(bǔ)償，體積小、精度高的麥克斯傳感器會因量產(chǎn)導(dǎo)致成本較高。 另一方面，PDMS技術(shù)制成的觸覺傳感器體積較大，精度和重復(fù)性相對較低。價格方面，麥克斯傳感器單個晶圓成本在0.55~1元之間，而PDMS傳感器則在幾塊錢甚至更高，但隨著產(chǎn)量增加， 價格有所下降。對于高性能需求的應(yīng)用，如機(jī)器人，對MEMS傳感器的精度、重復(fù)性和壽命要求更高，因而成本顯著提升，售價可能從10幾塊到幾十塊不等。

Q:國產(chǎn)和海外的MEMS傳感器在成本上有什么區(qū)別?MEMS傳感器在機(jī)器人等高端應(yīng)用中的成本比例如何?

A:由于MEMS技術(shù)目前并不需要像IC那樣的先進(jìn)納米工藝，因此國產(chǎn)及海外的MEMS傳感器在成本上差異不大。但在產(chǎn)率和特殊工藝要求方面會有一些區(qū)別。在高端應(yīng)用如人形機(jī)器人領(lǐng)域， MEMS傳感器的成本占整機(jī)的比例相對較低，以特斯拉人形機(jī)器人為例，觸覺傳感器的成本占比大約為3%。對性能要求較高的情況下，MEMS的晶圓片或芯片在重復(fù)性、精度以及其他關(guān)鍵參數(shù)方面需要提升，因此成本相應(yīng)增加。

Q:全球來看，MEMS技術(shù)在六維力矩傳感器上的應(yīng)用為什么相對較少?

A:MEMS技術(shù)在六維力矩傳感器上的應(yīng)用較少， 主要是因為市場規(guī)模較小。傳統(tǒng)力矩傳感器多用于工程機(jī)械等領(lǐng)域，其應(yīng)用場景要求傳感器的扭矩極大，與MEMS技術(shù)的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域和性能特點不盡相同。而且，像德國HBM這樣的公司已經(jīng)在傳統(tǒng)力矩傳感器上有較為成熟的技術(shù)和市場份額，MEMS技術(shù)進(jìn)入該領(lǐng)域的創(chuàng)新成本較高，收益相對有限。

Q:MEMS傳感器技術(shù)面臨哪些核心難點?目前這些問題有什么解決方案?

A:MEMS傳感器技術(shù)的核心難點之一是其承載能力不大，主要源自材料脆弱性問題。例如，這方面的技術(shù)難度表現(xiàn)在MEMS技術(shù)的生產(chǎn)過程中， 如日本的MEMS技術(shù)使用pecvd工藝，將半導(dǎo)體工藝用于電阻濺射到薄膜上，工藝難度較大。國內(nèi)做得好的企業(yè)很少。解決方案方面，一些公司正在嘗試將MEMS的敏感組件構(gòu)建在例如17-4這種特殊不銹鋼薄膜上以增加彈性，從而解決脆弱性問題，但這還主要局限于學(xué)術(shù)研究階段，并未廣泛應(yīng)用。

Q:當(dāng)前傳統(tǒng)濾波器在降本方面遇到困難，是否可以通過MEMS技術(shù)來降低成本?MEMS技術(shù)能否在短期內(nèi)提高六維力矩的量產(chǎn)效率?

A:傳統(tǒng)的濾波粒子確實在成本降低方面比較困難，業(yè)界考慮使用MEMS技術(shù)以實現(xiàn)成本降低。六維力矩傳感器的成本通過采用MEMS技術(shù)有可 能降低，因為半導(dǎo)體硬件片已經(jīng)可以使用硅和鍺等半導(dǎo)體材料替代金屬應(yīng)變片，這不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且還降低了成本。利用半導(dǎo)體技術(shù)，可以將傳統(tǒng)的合金材料更換為半導(dǎo)體材料，這使得傳感器更為靈敏，并且能夠探測到微小的力矩變化。然而，盡管存在優(yōu)勢，半導(dǎo)體材料的熱穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致在極端工作條件下應(yīng)用較少。這一局限也是MEMS技術(shù)降成本并提升量產(chǎn)效率時需要考慮的因素之一。

Q:MEMS傳感器改用半導(dǎo)體工藝后.量產(chǎn)效率和成本會有什么變化?

A:目前來說，成本并沒有顯著下降，因為應(yīng)用不多，整個半導(dǎo)體制程的工藝成本分?jǐn)偛⒉欢?。不過新工藝的亮點在于體積非常小，能夠測六維的力和力矩，特別是可以放置在非常小的空間內(nèi)。雖然有這樣的技術(shù)進(jìn)步，量產(chǎn)效率并沒有相比于以前提高太多。對于只是賣硬墊片或者制造硬墊片的廠家效率提升，但如果是客戶使用，效率提升不大。不過可能相應(yīng)的成本會稍有降低。

Q:為何國內(nèi)廠商選擇繼續(xù)沿用MEMS技術(shù)開發(fā)制造六維力矩傳感器?

A:國內(nèi)的某些廠商如坤維科技仍然繼續(xù)沿用MEMS技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)，是因為他們的應(yīng)用工況不需要很大的力矩。例如人形機(jī)器人的手指尖等應(yīng) 用，不會出現(xiàn)過于嚴(yán)苛的力矩要求，所以繼續(xù)這 一研發(fā)線路是有市場基礎(chǔ)的。即使MEMS技術(shù)存在脆弱性問題，對于不需要特別高承載力的應(yīng) 用，其技術(shù)和成本還是可接受的。

Q:單個MEMS力傳感器的成本構(gòu)成大致是什么?

A:傳感器的成本構(gòu)成中，制造彈性體的工藝占了40%~50%的比例，這是最大的成本支出。其他部分包括了敏感元件、外圍器件如采集IC、制造 裝配以及校準(zhǔn)等。如果技術(shù)不成熟，彈性體制造的工藝成本比例會更高。核心的制造工藝有專利保護(hù)，而一些不太重要部分如芯片器件可能會外購，但核心的彈性體制造通常會保留在廠家內(nèi)部完成。

Q:設(shè)計和制造MEMS傳感器的主要挑戰(zhàn)是什么?國內(nèi)有哪些公司在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出潛力?

A:設(shè)計MEMS傳感器的主要挑戰(zhàn)包括解決動態(tài)響應(yīng)和非線性參考問題，而制造過程則需要極高的精度和一致性，尤其是涉及到高精度蝕刻工藝， 這往往導(dǎo)致成本增加。在國內(nèi)，一些公司如坤為等通過設(shè)備采購和團(tuán)隊建設(shè)等方式嘗試進(jìn)入這個市場，但目前真正能夠做好MEMS傳感器的國內(nèi)企業(yè)并不多。

Q:在6-DOF(六自由度)傳感器領(lǐng)域，國內(nèi)外制造商在技術(shù)原理上是否存在差異?是否具有技術(shù)優(yōu)勢或面臨障礙?

A:在6-DOF傳感器領(lǐng)域，國內(nèi)外制造商的技術(shù)原理基本相同或相近。對于已經(jīng)在IMU(慣性測量單元)制造方面有深厚積累的公司來說，他們在轉(zhuǎn)向新興市場如機(jī)器人市場的6-DOF傳感器制造時具有一定的優(yōu)勢。主要障礙可能在于對新興市場的理解，例如對機(jī)器人市場的熟悉程度。

Q:國內(nèi)哪些從事MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件制造的企業(yè)在6維力矩傳感器方面可能具有優(yōu)勢?

A:國內(nèi)一些企業(yè)如宇立儀器、坤為科技和鑫精誠等在制造6維力矩傳感器方面顯示出潛力。他們宣稱可以生產(chǎn)直徑從9.5mm到300mm,覆蓋從幾 牛到幾千牛力矩范圍的傳感器。這表明國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)開發(fā)和專利獲取方面取得了進(jìn)步，盡管具體產(chǎn)品尚未在市場上廣泛出現(xiàn)。

Q:MEMS壓力傳感器和MEMS 6-DOF力矩傳感器在技術(shù)原理上是否相同?哪個更難制造?

A:MEMS壓力傳感器的技術(shù)原理相對簡單，主要依賴線性響應(yīng)。而MEMS6-DOF力矩傳感器涉及更多的非線性問題，其工藝與陀螺儀和加速度計相似，制造難度明顯更高。目前，國內(nèi)成功制造出高質(zhì)量陀螺儀和加速度計的公司并不多，這些產(chǎn)品在核心參數(shù)和壽命方面與國外產(chǎn)品存在顯著差距。

Q:在機(jī)器人傳感器方面，MEMS傳感器和柔性傳感器在特斯拉和國產(chǎn)機(jī)器人中的使用比例如何?兩者的技術(shù)發(fā)展趨勢是怎樣的?

A:雖然沒有具體的使用比例數(shù)據(jù)，但趨勢顯示特斯拉等公司更傾向于使用MEMS技術(shù)，這可能是因為尚未找到滿足其標(biāo)準(zhǔn)的柔性傳感器產(chǎn)品，或者考慮到成本因素。相比之下，國產(chǎn)機(jī)器人在某些情況下可能會更多地使用柔性傳感器。然而，總體來看，MEMS技術(shù)更有可能成為未來的主流趨勢。紐迪瑞等公司正在利用MEMS技術(shù)開發(fā)高靈敏度、小體積、高精度的柔性傳感器，這些傳感器不僅適用于機(jī)器人，還可應(yīng)用于手機(jī)、家電以及觸覺等領(lǐng)域。

Q:MEMS傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的未來應(yīng)用前景如何?特別是在力矩傳感器方面有哪些潛力和挑戰(zhàn)?

A:MEMS傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊， 特別是在關(guān)節(jié)等部位的使用。例如，在手指、手 腕、腳等關(guān)節(jié)中，傳統(tǒng)的力矩傳感器有可能被MEMS傳感器取代。由于其體積小，可以全植入或半植入在相應(yīng)位置，MEMS傳感器非常適合精密操作環(huán)境，如手術(shù)中測量力或力矩。然而，當(dāng) 前MEMS傳感器承受的力矩上限約為200牛米，對于重負(fù)載任務(wù)來說，這還不夠。為了應(yīng)對更重的負(fù)載并確保安全，需要將承受力矩優(yōu)化到上千牛米。目前，日本某公司的傳感器能達(dá)到200牛米，而國內(nèi)某公司則能達(dá)到500-700牛米，短期內(nèi)可能應(yīng)用于機(jī)器人手上。但問題在于體積較大，無法適用于人形機(jī)器人手腕或腳踝等部位。因此，減小體積是未來研究的重點，柔性基底可能是一個方向，但目前商業(yè)化尚未考慮這一因素。

Q:為什么傳統(tǒng)的六維力矩傳感器成本如此之高?

A:傳統(tǒng)六維力矩傳感器成本高昂的原因在于生產(chǎn)過程中需要使用高價材料和進(jìn)行人工微調(diào)。例如，德國HBM公司的傳感器在制造過程中會在傳 感器上貼上金屬片，這些材料本身就價格不菲。而且，每個產(chǎn)品都需要單獨調(diào)試，進(jìn)一步增加了成本。相比之下，MEMS傳感器采用硅基或其他自動化生產(chǎn)方法，能夠顯著降低成本。

Q:與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS技術(shù)的核心區(qū)別是什么?

A:MEMS技術(shù)是一種制造工藝，廣泛應(yīng)用于硅基等不同材料的基底中。狹義上的MEMS技術(shù)通常指的是硅基傳感器，但廣義上的MEMS傳感器包括所有采用MEMS工藝的產(chǎn)品。因此，即使某些傳感器尺寸較大，只要采用了MEMS工藝，也可以被視為MEMS傳感器。例如，坤為科技公司的MEMS傳感器直徑可達(dá)五六十毫米，不僅限于硅基材料。

Q:特斯拉在其機(jī)器人中使用的觸覺MEMS傳感器的單價和成本占比情況如何?

A:關(guān)于特斯拉機(jī)器人中使用的觸覺MEMS傳感器的單價和成本比例，目前公開信息不足。一般來說，對于檢測單一觸覺數(shù)據(jù)的機(jī)器人或人形機(jī)器人傳感器，成本可以從幾塊錢到幾十塊不等。消費類產(chǎn)品成本更低，而隨著性能提升，成本也可能增長到幾百塊錢。值得注意的是，根據(jù)以往數(shù)據(jù)，傳感器成本在某些情況下可占總成本的31%,顯示出在成本控制方面存在一定的挑戰(zhàn)。但對于特斯拉具體使用的觸覺MEMS傳感器的成本情況，需要更多詳細(xì)信息才能確定。

Q:傳統(tǒng)壓力傳感器精度提升后，預(yù)期的市場價格會是多少?

A:一旦傳統(tǒng)壓力傳感器的精度得到提升，其市場價格可能會升高到數(shù)千元的水平。

Q:目前六維力矩傳感器的制造成本與傳統(tǒng)金屬箔相比有何差異?假設(shè)實現(xiàn)量產(chǎn)或工藝改進(jìn)，成本下降的可能性有多大?

A:當(dāng)前，六維力矩傳感器的制造成本大致等同于傳統(tǒng)金屬箔的成本。然而，隨著量產(chǎn)或工藝技術(shù)的改進(jìn)，成本有望降低至少50%。目前，力矩傳感器的價格可能高達(dá)數(shù)萬元，但在實現(xiàn)量產(chǎn)之后，價格有可能下降到千元級別。如果在材料和工藝方面取得突破，價格甚至可能進(jìn)一步降低至幾百元。

Q:國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)六維力矩傳感器時面臨哪些挑戰(zhàn)?

A:在國內(nèi)企業(yè)制造六維力矩傳感器的過程中，可能會遇到設(shè)備質(zhì)量和材料選擇等問題。其中，工藝問題占據(jù)了80%的比例，而剩余20%的問題則主要源于設(shè)計因素。為解決這些問題，我們需要提升工藝水平，考慮使用進(jìn)口設(shè)備，并從設(shè)計端進(jìn)行優(yōu)化，提供更好的條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計環(huán)節(jié)能夠決定約80%的工藝成本。

Q:六維力矩傳感器的核心制造工藝有哪些?

A:制造工藝主要包括正規(guī)科室的建設(shè)和常規(guī)要求，但特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計對工藝提出了挑戰(zhàn)。設(shè)計的獨特需求對常規(guī)工藝構(gòu)成了挑戰(zhàn)，其中設(shè)計扮演 著關(guān)鍵角色。

Q:后端封裝測試中的問題如何影響六維力矩傳感器的性能?

A:在后端封裝測試中，密封性問題會對六維力矩傳感器的性能產(chǎn)生影響。例如，它可能導(dǎo)致產(chǎn)品防水和防塵等級的差異，如IP67和IP65的差別。這種技術(shù)差異可能達(dá)到數(shù)量級的水平。

Q:在人形機(jī)器人中，觸覺傳感器的價值占比是多少?

A:在人形機(jī)器人中，所有傳感器(包括觸覺傳感器、立體傳感器、芯片等)的成本大約占機(jī)器人總成本的50%。通常情況下，觸覺傳感器在機(jī)器人 中的占比可能在3%~5%之間。

Q:MEMS傳感器在人形機(jī)器人中的應(yīng)用情況是怎樣的?

A:MEMS傳感器不僅應(yīng)用于人形機(jī)器人的手掌部位，還在高精度設(shè)備中有所使用。在手掌部位的使用最為廣泛，一個手掌可能需要3-5顆傳感 器，兩只手總計約為6-10顆。這些傳感器有助于機(jī)器人感知力量，但隨著精度要求的提高，傳感器的單價可能會呈指數(shù)增長。

MEMS傳感器廠商主要包括士蘭微、美新半導(dǎo)體（非上市）、明皜傳感（蘇州固锝子公司，正在IPO）、矽?？萍迹ǚ巧鲜校?、深迪半導(dǎo)體（非上市）、敏芯股份等。

審核編輯 黃宇