军工行业向来对传感器的应用极为重视,在设计和生产制造上甚至不吝成本,代价高昂。作为军品的传感器,以追求有没有为第一目标,经济性是第二位的。它往往采用更为高级的生产线和工艺方法,费工费料在所难免。军用传感器的制造,跟工业级传感器呈现了完全不同的状态。
民用传感器,则与军品大为不同。它首先必须考虑的是经济性,要严格控制生产成本和不良品率。目前在中、高端传感器制造领域,我国在知识产权、设备和材料等方面都没有优势,成本居高不下。但近年来,在某些有限的领域,这种局面正在逐步改变。例如,随着苹果带动的高保真耳机TWS的广泛应用,声学传感器的发展也水涨船高,涌现出了一批明星企业,如歌尔、瑞声等。
实际上,民用传感器的快速发展,给了工业级传感器一个重要的启发,那就是应用会带动传感器的发展,大量应用则会带动传感器大力发展。昔日声学传感器都垄断在美国楼氏的品牌之下,但随着潍坊歌尔声学大量耳机的出货,它自然而然就向其中最为关键的MEMS传感器(这种传感器采用了一种与传统机械加工完全不同的半导体工艺)发起挑战。尽管主动发动了大量的专利诉讼战,楼氏依然是节节退后,中国声学传感器则是一个兵团般的崛起。同样,在新兴领域,中国的传感器由于依靠着巨大的国内市场,往往能够找到自信。随着生命医疗和大健康的崛起,测量血压、血糖等生物传感器也在蓬勃发展,这也是中国传感器的机会。
这对于多年来积重难返的工业传感器,启发良多。当然,三种不同领域的传感器,自有相通之处。国外的传感器制造商往往都是三者通吃,因为只有这样,才能实现最大的规模效应。而这恰好是中国传感器的短板。
3、这么小,如何搞?
国内传感器厂家没有规模。与传感器沾边的国内上市公司大约有40家,但传感器都无法成为主营业务。在国内传感器做的有声有色,算是闯出一套血路的郑州汉威,2020年收入为20亿。这其中纯粹的传感器不到20%,其他都是围绕着传感器而形成的物联网解决方案。而且,这么高的比例,跟新冠疫情引起的测温传感器需求剧增有很大关系。如果以2019年来看,传感器的收入占比则不到10%。
汉威是传感器的幸运儿。放眼看过去,国内具有一定规模的工业传感器生产厂家不到两千家,很多都在3000万的收入线上挣扎。很多传感器产品都是处于小批量生产状态,单一产品的研制成本居高不下。中国制造的产品往往给人一种深刻的印象,就是价格低廉,比国外有优势。但其实恰好相反,中国很多工业传感器,成本往往并没有竞争力。
这与传感器较为复杂和精准的生产工艺有关。以光电传感器为例,需要从微弱信号检测到提取信号、整形放大、噪声处理等,而针对不同传感器的工艺流程是对企业Know-how的真正考验。传感器企业需要购买芯片、材料、单片机等元件,然后自己做光学、做结构,进行收光、发光处理以及显示等。这个过程,需要的设备、工装、制具、校准仪器等,很多都需要企业自行研发。作为智能的起点产品,传感器居然是一种近乎“自给自足”的生产方式。这未免给人留下了一种沮丧的印象,传感器几乎还没有进入“工业化的状态”。
传感器制造还有软件算法问题,从而支撑传感器的智能化要求。光电开关看上去简单,有收发光线即可,但其实一个小小的光电开关通常有100多个元器件,针对不同的应用场景有不同要求,要做好也不容易。天津宜科自2003年开始从事传感器制造,多年来在光电传感器算法方面,一直寻找各种经验的积累。例如在食品包装线的饼干检测中,一条包装线上会有不同的饼干,包装数量、包装方式都不同。而光电开关的基础功能就是计数,例如数出有多少个饼干。这听上去很简单,实际情况要复杂得多。有的饼干成分中掺杂有芝麻、巧克力豆等,会形成干扰;有的饼干很薄,信号很弱;在混线生产时,不同颜色的饼干都混在一起。当林林总总的饼干在包装线上连在一起往前运动的时候,要将它们一个个数出来难度不小。为了得出一种可以对各种饼干进行准确计数的算法,宜科的研发人员就到超市去买饼干,总共买了上百包各式各样的饼干,一一测试。巧克力饼干黑白分明,算法就要将黑白比减少;带孔眼的饼干过线的时候,光斑不容易打出来,就要通过算法将光斑放大。
当剩余的饼干终于可以被吃掉的时候,意味着电路板硬件、材料和光学等技术条件都已经过关。接下来要考虑的就是小批量生产的稳定性,这也正是传感器制造最难的地方。如果有大订单量,生产线容易变得更稳定,厂家也就更愿意在质量控制体系可靠性和供应链稳定性方面投入精力。而国内传感器生产的批量通常只有几千只,大批量生产的需求很少。但小批量生产,几乎要花费同样的投入来实现来料、工艺、质量检测等,这样一来,生产一致性自然就不好控制了。