芯耀
与非AI
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公司简介
湖南启泰传感科技有限公司（简称“启泰传感”），主营金属基 MEMS 压敏芯片、配套压力传感器与监测系统的研发、生产及销售。掌握异质膜核心工艺，建成国内金属基压敏芯片规模化产线，支撑高端装备压力传感器国产化落地。产品覆盖工程机械、轨道交通、航空航天、特种装备、智能机器人等场景，已向三一、中联重科等国内头部装备企业批量供货，并与多家行业大型主体达成战略合作，面向极端工况提供传感配套方案。
编者按
家用燃气报警器、温湿度检测仪都装有传感器。如果坏了，换新即可。但高铁制动、重型挖机、矿山机器人身上的压力传感器，完全是另一套逻辑。它要扛住零下 40℃严寒、零上 200℃高温，耐受剧烈冲击与海拔骤变。这个不起眼的小器件一旦失效，就会带来安全隐患。此前，能适配这类极端工况的金属基传感器基本依赖进口。国内无成熟完整产业链，特种材料、设备都要从零攻关，高端工业传感器国产化，该怎么突围？本期《芯片揭秘・大咖谈芯》对话启泰传感总经理王维忠，他所在的团队从零搭建国内金属基传感器工艺体系，攻克超薄膜片、高压绝缘等核心难题，实现工程机械批量国产替代。他们的实践，能否为极端工况下国产传感的突围提供可行答案？一起来揭秘。
应对极端工况：为何选择金属基传感器？
幻实：无论是踩下汽车刹车、搭乘地铁、途经小区消防栓，还是看到人形机器人灵活完成抓取动作，这些场景背后，都藏着一个不起眼的一个小器件——压力传感器。平时大家或许很少留意它，但这一领域长期被国外所垄断。压力传感器存在多条技术路线，有一类叫作金属溅射薄膜压力传感器。今天幻实邀请到了启泰传感的总经理王维忠王总，他们团队历经十余年，终于啃下了金属溅射薄膜MEMS压敏芯片这块硬骨头。请王总跟我们介绍一下，什么是金属溅射薄膜压力传感器。
王维忠：刚才您提及的汽车刹车、机器人、重型机械等领域，确实许多地方都会用到压力传感器，尤其是金属基的压力传感器。传感器在不同的应用领域，对其性能的要求是不同的。例如汽车刹车的场景，可靠性尤其重要；机器人则受其本身体积的约束，对传感器的尺寸有较多要求。
而高铁的制动上，除了高可靠性以外，还需要抗冲击。同时，需要适配宽温区的工作环境。我国国土幅员辽阔，南北温差大，早晨的深圳可能是30℃，而晚上的哈尔滨却可能是零下40℃。这种情况下，便要求传感器既能适应在40℃的高温，也能在零下40℃正常工作。对传感器而言，这是比较严酷的考验。
此外，国内高铁线路跨度大，还需应对东西地域之间的海拔落差。当大家在海拔高的地区旅行时，可能会发现包装食品发生了膨胀，而传感器里的电子元器件同样可能会受海拔落差的影响。故而要求高铁上的传感器，既能在低海拔下正常工作，也能在高海拔下正常工作。因此，不同的应用场景对传感器的要求是不同的。
而金属溅射薄膜压力传感器工作温度区间可达-196℃～+200℃，能适配高低海拔，甚至真空工况。正是凭借上述特性，金属基压力传感器可适配多样化的复杂应用场景，这也是该技术路线的核心优势。
幻实：好的，我想请问，传统的压力传感器多采用硅基技术路线，你们为什么选择金属基工艺这条技术路线？
王维忠：金属基压力传感器最早的应用场景主要在航天测试领域，硅基充油式传感器在剧烈的温度变化、强震动的场景可能会失效。因此倒逼着我们用金属基的技术方案来解决实际工况。
无成熟生态，金属基工艺如何攻坚？
幻实：请您科普一下，金属基MEMS压力传感器的工艺或者流程是怎么样的？同硅基相比，它的差异到底有多大？
王维忠：金属基MEMS压力传感器是在金属基底之上做的薄膜应变电路，最关键的技术有两点：第一，不锈钢基底材料。尽管我国可以生产各式各样的不锈钢，但能适配做传感器的不锈钢很难获取，我们不锈钢的基底材料是同国内研究院一起定制开发的。
幻实：不是304不锈钢？
王维忠：对，标号是17-4 PH。但在同一个标号下，用普通的不锈钢也会产生很多问题，比如钢里面可能含有杂质，这种杂质会导致传感器产生不良反应。
17-4 PH：马氏体沉淀硬化特种不锈钢，杂质控制、力学稳定性要求极高。
第二，是制造工艺。整套流程至少经过了20道工序。第一步是微机械加工。针对最低量程传感器，我们需要把膜片加工到目标尺寸和厚度，成品膜片可能比一张70g的A4纸还薄。
这种超薄基底的加工是一个难点，因为基底加工时受力极易变形，一旦变形，传感器便直接报废。微机械处理完后，还要做表面抛光，先粗磨，后精磨；磨完后做热处理；等膜片的硬度达到稳定的数值后，依次做一层绝缘层、应变电阻薄膜；最后再进行光刻曝光。这就是做金属基MEMS压力传感器芯片的整套工艺流程。
应变电阻薄膜：一层极薄导电薄膜；膜片受压形变时薄膜电阻同步变化，电路采集电阻换算压力。
幻实：从衬底起步，先处理金属基底，再逐层沉积功能薄膜，这小小一颗芯片前期所需的准备工作太难了。
王维忠：其实整套制造流程，与常规芯片的制程是一样的。只是在国内，金属基的芯片制作没有完整的生态链，不像硅基路线，有晶圆供应商、代工厂，封测厂分工配套，所以我们全流程自研。
幻实：MEMS本身是微机电一体化，融合半导体工艺与机械加工工艺，专业跨度很大。
王维忠：而且因为没有专业的生态链，我们许多生产设备都是通过跟厂商联合，定制开发的。像我们内部的曝光机已经迭代到第四代，实现了从单曝光，到批量自动对焦、批量曝光。
幻实：非常不容易。斗胆请教，你们为什么选了如此艰难的赛道？
王维忠：最早起步的时候，我们没预料到难度这么大，只能边做边发现问题，问题出现便解决问题。经过十多年持续地推进，才把这件事情做成。
幻实：几乎每一步都在被卡脖子。产品现在到什么阶段了？实现出货了吗？
王维忠：产品现在已经实现大批量出货，比如工程机械行业，我们的金属溅射薄膜传感器出货量处于国内前列，并实现了对进口产品的替代。三一、徐工、中联重科等国内工程机械头部企业，都是我们的客户。
幻实：太为你们骄傲了，你们改变了这个行业在过去长期被海外所垄断的局面。我想请问，从实验室做出产品的理论模型，到如今的量产，你们中间一共花了多长时间？
王维忠：我们2016年启动芯片产业建设，2019年产业通线；从通线到完成工艺爬坡、良率优化，到批量出货，大概花费5年时间。
幻实：相当了不起，你们这5年中间还完成了客户验证。请问，启泰传感的芯片是几英寸晶圆？
王维忠：我们没有晶圆英寸的概念，而是单片单独加工的。金属基路线和硅基路线最本质的区别是，硅基先做制程，后做分割。比如在6寸、8寸晶圆上，先把芯片做好，再切割成小片；金属基是先做成金属基底，再做后续加工。
金属基底：指以不锈钢材料制成的衬底，作为半导体的底层承载基材。
幻实：二者起步都有差异，所以设备也不相同。
王维忠：因为金属材料如果后做切割，应力太大。当分割与制程的顺序颠倒，整个工艺路线和技术就产生了差异。
幻实：对，现在半导体工艺设备大多按照大晶圆来设计的，你们这条技术路线完全不一样。还有没有其他产品也是先切割、再布线？
王维忠：这种情况比较少。
幻实：传感器里有吗？
王维忠：有，比如陶瓷传感器，有些也是先分片，再加工。但它不是半导体工艺，而是类似于印刷工艺，做印刷电路板。
幻实：AI时代，大家已经开始接受这种方式了。你们做了非常前卫的挑战，对你们肃然起敬。
整机领跑，为何器件遇坎？
幻实：刚才您说很多国内的工程机械头部公司都在用你们的产品了。现在中国的工程机械，对传感器产品需求的功能上，有没有走出自己的特色要求？是否有新变量在左右着新产品的研发方向？
王维忠：现在工程机械行业正走向数字化，同时，对精度、智能化的要求更高。我们跟中联重科组建了联合研发团队，专门为他们的智能挖机做配套的传感器。他们的无人智能挖机或远程操控挖机，可以精准地拿细针般的小件塞进小洞里，央视财经频道还为这事做过报道。
实现精准控制的背后，便需要精准的压力测量。我们已经根据现实工况联合攻关了这个难题。未来，无人化、电动化将会是工程机械的大趋势。
幻实：确实，很多工作环境都不适合人去作业。
王维忠：对，代替人类在矿山等恶劣、危险的环境下作业。
幻实：我认为机器人就应当走向这个方向，代替人在艰苦、危险的地方工作。
王维忠：其实无人挖机、无人矿卡某种意义上也属于机器人的范畴。因其相应使用场景比较简单，故落地更早。以前一人操作一台挖机，现在一个操作员远程能控制10台。此外，无人的矿卡能自主拉运物料，无需人为干预。这些都可视作机器人的落地方向。当然，这本质上仍是与工程装备相结合的应用场景，但这类场景能够创造十分可观的实际应用价值。
幻实：这个方向上，中国的产品在全球处于什么样的位置？
王维忠：应当处于比较领先的位置。行业里几家头部企业都在布局这件事。
幻实：算是联合推动这个方向。
王维忠：对，而且已经有产品成熟落地了。
幻实：除了工程车方向的应用，您觉得金属溅射薄膜的压力传感器还能在哪些场景下大放异彩？
王维忠：现在我国的高铁制动系统里，刹车用的压力传感器便是这类金属基方案。
幻实：金属基的压力传感器已经在里面投入使用了？
王维忠：历来用的便是金属基的压力传感器，只是到目前为止仍用的国外产品。一方面，它关于安全问题；另一方面还涉及供应链的卡脖子环节。这是金属基传感器体量很大的应用市场，但这个应用市场有一个天然门槛：要求绝缘耐电压达到交流1000伏。金属基底和上层传感线路都是导体，二者之间怎么绝缘，是金属基技术路径下特有的难题。
我们从19年开始，跟中车体系相关单位达成战略合作，整整做了6年，才把这个技术难题攻克。今年产品通过了铁科院的认证，目前已经投入试车运行。
幻实：你们太不容易了。很多时候大家只看到国产替代的结果，背后的艰辛却少有人体会。
指标亮眼，就代表产品可靠？
幻实：我了解到您个人从业履历也十分传奇。您本身是信息系统工程师，现在深耕MEMS压敏芯片，跨专业属性很强，材料、工艺、硬件都得自研。我很好奇，什么样的契机让您投身进这个行业？
王维忠：我早年就读于国防科大的系统工程与应用数学系。这个系的成立是由钱学森提出的，主要解决的是复杂大系统怎么运转。早期，钱老主导航天、火箭、原子弹等重大工程，并提炼出了系统工程思想，由此设立T型人才的培养目标：既有扎实的专业基础，又有广博的知识面。
基于这个背景，上学时我们学习的内容很繁杂，除了数学、力学，还有信息方向。信息系统涉及电子、控制，以及各种系统理论，由此形成了多个学科的初步知识结构。在这个知识结构的情况下，我们看待问题时，常常从整体来看，而不是局部。
传感器可能肉眼看起来很小，但我们看到的是背后整套的系统。金属基传感器的研发，覆盖材料、制程、标定调理以及电路设计，我们追求的是整体综合性能达标，而不是单项的指标。这套思路，给我们理解传感器提供了更开阔的路径，不会局限单一维度。
在公司里面我们经常强调，做传感器，客户要求的不是某一项好看的性能指标，而是整体的结果。比如部分应用场景要求的可靠性。可靠性意味着产品要适配各类复杂工况，比如高低温、震动、冲击等情况。只有把所有因素当成一个整体来看，才能把产品做得更好。
幻实：您觉得中国的压力传感器跟国际同行相比，现在处于什么水平？
王维忠：我们自己观察到的，从大部分的指标而言，与国际所处的水平不相上下。甚至许多实验室的样品，各项指标还能领先。真正的差距在于长期的稳定性，换言之，批量产品的一致性。国内许多传感器都缺乏大批量的场景应用，也没能在工艺极致性下足功夫。
幻实：消费级产品对这块的要求没那么严苛，坏了直接换掉。
王维忠：消费级产品确实可以，但像航天的场景，比如卫星搭载的传感器不行。卫星上天后可能10年都不能回收，无法维修，更不能派人上天做售后服务，它必须保证长达10年稳定地运行。
幻实：选型时，企业必须提前考量好这一点。
王维忠：是。一方面要保障产品长期不出故障；另一方面难题是，怎么样去验证它没问题？我不能说拿这个产品真正用上10年。
这就回到了最开始提及的系统思维，从设计、工艺，再到整套验证方案，都要有系统的思维去兜底，保障它长期稳定。
幻实：这点很有启发。传感器行业“深水区”的攻关还远远没有结束，与海外相比，我们仍需练好底层功夫。
王维忠：有两层原因。第一，过去试错机会不多，国产传感器起步晚，行业习惯选用国外产品。深耕半导体的张汝京老先生也说了一个观点：半导体设备里国产器件的占比，从五年以前的15%，提升到如今50%左右。这个变化，很多是受外部供应链限制，行业被动地选择了国产器件。由此，国产器件获得了应用场景，得以慢慢地迭代，取得了一些成就。如果缺少验证和迭代打磨的机会，长期稳定性和批量一致性就难以突破。
幻实：也就是说，国外产品的优势也不是凭空而来的
王维忠：这就是第二点。很多海外的头部品牌，已经耕耘了几十年，甚至上百年，一直持续迭代，不断地弥补缺陷，同时，技术也得到了提升。由此，也想呼吁下游客户，给国产传感器多一些机会。如此，整个产业才能持续升级，技术才能不断进步。
幻实：这件事确实需要我们持续呼吁。非常感谢王总今天带来如此多的分享，受益良多。也祝福公司的产品在国内外的各个场景下，实现大规模应用。
王维忠：谢谢。
END
