全球MEMS传感器专家技术交流纪要：人形机器人中传感器占总成本的近50%

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一、综述

1.MEMS技术与触觉传感应用趋势

MEMS传感器技术在触觉传感器市场中占据约 40%的份额，主要应用于智能机器人和车载智能系统。相比之下，PDMS等聚合物材料技术占据 约60%的市场份额，广泛应用于医疗检测等领域。虽然MEMS传感器和基于油性材料的触觉传感器在性能和价格上存在差异，但具体比较数据需要进一步调研。

2.MEMS传感器市场与成本分析

技术路线差异：MEMS传感器中的mx(假设代指某型号)技术具有体积小、精度高的优点，但对工况要求较高，量产时成本可降低。相比之下，PDMS类传感器体积较大，精度不高，重复性及部分性能指标略逊一筹。

成本分析：国内外晶圆成本并无显著差异，主要区别在于良率和特殊要求。MEMS传感器的整体成本控制在1-2元，量产后可能更低。 应用分布与要求：不同应用领域对MEMS传感器的精度、重复性、寿命等指标要求各异。例如， 机器人所需的传感器成本相对较高，并受产量影响大。 特斯拉人形机器人采用MEMS技术，由于空间和性能要求的限制，使其成为唯一选择。

3.提升MEMS传感器性能之难题

MEMS传感器技术挑战半导体特性导致温度漂移较大，需要进行温度补偿。日本的MEMS技术工艺复杂，主要使用PECVD工艺在薄膜上溅射电阻。

MEMS芯片脆弱性问题核心难点在于芯片的脆弱性，承载力有限，目前尚无法很好地解决在六维力矩中的脆弱性问题。

成本降低趋势：尽管利用MEMS技术和半导体应变片可能短期内难以大幅降低六维力矩传感器的成本并提高量产效率，但由于半导体应变片灵敏度高，尽管热稳定性差限制了其在极端环境下的应用，但仍预示着市场对MEMS传感器的需求将保持增长。

4.MEMS传感器成本与技术分析

产品技术升级：采用半导体工艺对MEMS传感器生产进行自动化升级可以提高效率和产量，但成本并未大幅降低，仍需人工贴片。对于客户端而言，成本可能降低，但效率提升不显著。

行业动态：国内外均有公司沿着MEMS六维力矩传感器开发路线进行研发生产。尽管存在脆弱性问题，但由于新兴机器人和智能驾驶对力量要求较低，应用场景广泛，预计市场对MEMS传感器的需求将持续增长。

成本构成分析：核心弹性体的制造工艺占据了MEMS传感器成本的40%-50%,而半导体技术的工艺成本高，材料成本相对较低。这意味着创新点需要放在成本控制和工艺改进上。

5.专家探讨MEMS传感器设计与应用

MEMS传感器的设计和制造难点：MEMS传感器在设计和工艺上存在挑战，如动态响应、非线性问题和高制造一致性要求，这些因素促成了其较高的成本。

国内对于六维力传感器技术的掌握不足：国内企业尚未在六维力传感器领域展现出显著的技术突破和产品呈现，与国际先进水平存在较大差距。 特斯拉及国内机器人对MEMS传感器的使用趋势：特斯拉倾向于采用尖端标准技术的MEMS传感器，而国内机器人可能更多采用成本效益更高的柔性传感器。预计未来趋势是MEMS传感器的主导性将更加明显。

6.MEMS力矩传感技术及其挑战

MEMS力矩传感器技术正在发展中，当前适用于负荷较轻的场合，如某些手术，但需进一步研究和优化才能适用于更复杂场景。

成本问题是MEMS力矩传感器面临的挑战，特斯拉等公司正寻求解决此问题。传统六维力矩传感器价格高昂，而MEMS技术有望实现成本降低。 MEMS传感器市场潜力巨大，一方面需求持续增长，另一方面进入门槛较高。对于未来开发更高承载力、体积更小的传感器具有明显的商业前景。

7.MEMS传感器成本腰斩可期

压力传感器精确度提升后，价格可达到上千元。半导体成本在量产和工艺改进后至少可减半。设计质量占传感器性能的80%,剩余20%由工艺质 量决定。设计优化对降低工艺成本有着至关重要的影响。

传感器在高智能化设备中占据较高成本比例，如人形机器人中传感器等部件占总成本的近50%。随着技术的进步和成本的降低，MEMS传感器的成本有望大幅降低。

二、Q&A

Q:目前有哪两种主流的触觉传感器技术，它们的性能和价格对比如何?

A:当前市面上主要有两种触觉传感器技术：一种是基于MEMS的技术，另一种是运用所谓的弹性材料，如PDMS或PTV等。就性能而言，MEMS技术被广泛应用于先进的产品中，尤其在某些机器人和智能车载系统中占据较大的比重，大约占到60%左右。弹性材料技术在市场上的占比约为40%。至于价格，具体数据在对话中未提及，所以无法进行准确的对比。MEMS技术由于其精密和先进的特性，可能在成本上会高于使用弹性材料的传感器，但由于未给出具体数据，这只是基于行业常识的推测。

Q:在哪些具体的应用领域，MEMS技术的触觉传感器优于其他技术?

A:MEMS的触觉传感器，由于它们的先进性，主要被应用在高端的产品上。例如，在某些高级机器人上，以及车载智能系统中，MEMS传感器更受青睐。此外，MEMS传感器也因其柔性特性而在医疗领域有所应用，特别是在手术中和术后检测参数时供医生使用，它们在这方面的应用也相对较多。

Q:MEMS传感器的技术路线和特点有哪些?市场上不同技术路线的MEMS传感器价格和性能上有什么差异?

A:MEMS传感器的技术路线有麦克斯(MAX)和基于PDMS材料的两种路径。麦克斯技术具备体积小、精度高的优势，但由于其采用半导体工艺， 存在温飘问题，即在不同温度下输出波动较大， 难以适应极端工作环境。如无补偿，体积小、精度高的麦克斯传感器会因量产导致成本较高。 另一方面，PDMS技术制成的触觉传感器体积较大，精度和重复性相对较低。价格方面，麦克斯传感器单个晶圆成本在0.55~1元之间，而PDMS传感器则在几块钱甚至更高，但随着产量增加， 价格有所下降。对于高性能需求的应用，如机器人，对MEMS传感器的精度、重复性和寿命要求更高，因而成本显著提升，售价可能从10几块到几十块不等。

Q:国产和海外的MEMS传感器在成本上有什么区别?MEMS传感器在机器人等高端应用中的成本比例如何?

A:由于MEMS技术目前并不需要像IC那样的先进纳米工艺，因此国产及海外的MEMS传感器在成本上差异不大。但在产率和特殊工艺要求方面会有一些区别。在高端应用如人形机器人领域， MEMS传感器的成本占整机的比例相对较低，以特斯拉人形机器人为例，触觉传感器的成本占比大约为3%。对性能要求较高的情况下，MEMS的晶圆片或芯片在重复性、精度以及其他关键参数方面需要提升，因此成本相应增加。

Q:全球来看，MEMS技术在六维力矩传感器上的应用为什么相对较少?

A:MEMS技术在六维力矩传感器上的应用较少， 主要是因为市场规模较小。传统力矩传感器多用于工程机械等领域，其应用场景要求传感器的扭矩极大，与MEMS技术的目标应用领域和性能特点不尽相同。而且，像德国HBM这样的公司已经在传统力矩传感器上有较为成熟的技术和市场份额，MEMS技术进入该领域的创新成本较高，收益相对有限。

Q:MEMS传感器技术面临哪些核心难点?目前这些问题有什么解决方案?

A:MEMS传感器技术的核心难点之一是其承载能力不大，主要源自材料脆弱性问题。例如，这方面的技术难度表现在MEMS技术的生产过程中， 如日本的MEMS技术使用pecvd工艺，将半导体工艺用于电阻溅射到薄膜上，工艺难度较大。国内做得好的企业很少。解决方案方面，一些公司正在尝试将MEMS的敏感组件构建在例如17-4这种特殊不锈钢薄膜上以增加弹性，从而解决脆弱性问题，但这还主要局限于学术研究阶段，并未广泛应用。

Q:当前传统滤波器在降本方面遇到困难，是否可以通过MEMS技术来降低成本?MEMS技术能否在短期内提高六维力矩的量产效率?

A:传统的滤波粒子确实在成本降低方面比较困难，业界考虑使用MEMS技术以实现成本降低。六维力矩传感器的成本通过采用MEMS技术有可 能降低，因为半导体硬件片已经可以使用硅和锗等半导体材料替代金属应变片，这不仅可以提高生产效率，而且还降低了成本。利用半导体技术，可以将传统的合金材料更换为半导体材料，这使得传感器更为灵敏，并且能够探测到微小的力矩变化。然而，尽管存在优势，半导体材料的热稳定性较差，导致在极端工作条件下应用较少。这一局限也是MEMS技术降成本并提升量产效率时需要考虑的因素之一。

Q:MEMS传感器改用半导体工艺后.量产效率和成本会有什么变化?

A:目前来说，成本并没有显著下降，因为应用不多，整个半导体制程的工艺成本分摊并不多。不过新工艺的亮点在于体积非常小，能够测六维的力和力矩，特别是可以放置在非常小的空间内。虽然有这样的技术进步，量产效率并没有相比于以前提高太多。对于只是卖硬垫片或者制造硬垫片的厂家效率提升，但如果是客户使用，效率提升不大。不过可能相应的成本会稍有降低。

Q:为何国内厂商选择继续沿用MEMS技术开发制造六维力矩传感器?

A:国内的某些厂商如坤维科技仍然继续沿用MEMS技术研发生产，是因为他们的应用工况不需要很大的力矩。例如人形机器人的手指尖等应 用，不会出现过于严苛的力矩要求，所以继续这 一研发线路是有市场基础的。即使MEMS技术存在脆弱性问题，对于不需要特别高承载力的应 用，其技术和成本还是可接受的。

Q:单个MEMS力传感器的成本构成大致是什么?

A:传感器的成本构成中，制造弹性体的工艺占了40%~50%的比例，这是最大的成本支出。其他部分包括了敏感元件、外围器件如采集IC、制造 装配以及校准等。如果技术不成熟，弹性体制造的工艺成本比例会更高。核心的制造工艺有专利保护，而一些不太重要部分如芯片器件可能会外购，但核心的弹性体制造通常会保留在厂家内部完成。

Q:设计和制造MEMS传感器的主要挑战是什么?国内有哪些公司在这一领域表现出潜力?

A:设计MEMS传感器的主要挑战包括解决动态响应和非线性参考问题，而制造过程则需要极高的精度和一致性，尤其是涉及到高精度蚀刻工艺， 这往往导致成本增加。在国内，一些公司如坤为等通过设备采购和团队建设等方式尝试进入这个市场，但目前真正能够做好MEMS传感器的国内企业并不多。

Q:在6-DOF(六自由度)传感器领域，国内外制造商在技术原理上是否存在差异?是否具有技术优势或面临障碍?

A:在6-DOF传感器领域，国内外制造商的技术原理基本相同或相近。对于已经在IMU(惯性测量单元)制造方面有深厚积累的公司来说，他们在转向新兴市场如机器人市场的6-DOF传感器制造时具有一定的优势。主要障碍可能在于对新兴市场的理解，例如对机器人市场的熟悉程度。

Q:国内哪些从事MEMS(微机电系统)器件制造的企业在6维力矩传感器方面可能具有优势?

A:国内一些企业如宇立仪器、坤为科技和鑫精诚等在制造6维力矩传感器方面显示出潜力。他们宣称可以生产直径从9.5mm到300mm,覆盖从几 牛到几千牛力矩范围的传感器。这表明国内企业在技术开发和专利获取方面取得了进步，尽管具体产品尚未在市场上广泛出现。

Q:MEMS压力传感器和MEMS 6-DOF力矩传感器在技术原理上是否相同?哪个更难制造?

A:MEMS压力传感器的技术原理相对简单，主要依赖线性响应。而MEMS6-DOF力矩传感器涉及更多的非线性问题，其工艺与陀螺仪和加速度计相似，制造难度明显更高。目前，国内成功制造出高质量陀螺仪和加速度计的公司并不多，这些产品在核心参数和寿命方面与国外产品存在显著差距。

Q:在机器人传感器方面，MEMS传感器和柔性传感器在特斯拉和国产机器人中的使用比例如何?两者的技术发展趋势是怎样的?

A:虽然没有具体的使用比例数据，但趋势显示特斯拉等公司更倾向于使用MEMS技术，这可能是因为尚未找到满足其标准的柔性传感器产品，或者考虑到成本因素。相比之下，国产机器人在某些情况下可能会更多地使用柔性传感器。然而，总体来看，MEMS技术更有可能成为未来的主流趋势。纽迪瑞等公司正在利用MEMS技术开发高灵敏度、小体积、高精度的柔性传感器，这些传感器不仅适用于机器人，还可应用于手机、家电以及触觉等领域。

Q:MEMS传感器在机器人领域的未来应用前景如何?特别是在力矩传感器方面有哪些潜力和挑战?

A:MEMS传感器在机器人领域的应用前景广阔， 特别是在关节等部位的使用。例如，在手指、手 腕、脚等关节中，传统的力矩传感器有可能被MEMS传感器取代。由于其体积小，可以全植入或半植入在相应位置，MEMS传感器非常适合精密操作环境，如手术中测量力或力矩。然而，当 前MEMS传感器承受的力矩上限约为200牛米，对于重负载任务来说，这还不够。为了应对更重的负载并确保安全，需要将承受力矩优化到上千牛米。目前，日本某公司的传感器能达到200牛米，而国内某公司则能达到500-700牛米，短期内可能应用于机器人手上。但问题在于体积较大，无法适用于人形机器人手腕或脚踝等部位。因此，减小体积是未来研究的重点，柔性基底可能是一个方向，但目前商业化尚未考虑这一因素。

Q:为什么传统的六维力矩传感器成本如此之高?

A:传统六维力矩传感器成本高昂的原因在于生产过程中需要使用高价材料和进行人工微调。例如，德国HBM公司的传感器在制造过程中会在传 感器上贴上金属片，这些材料本身就价格不菲。而且，每个产品都需要单独调试，进一步增加了成本。相比之下，MEMS传感器采用硅基或其他自动化生产方法，能够显著降低成本。

Q:与传统传感器相比，MEMS技术的核心区别是什么?

A:MEMS技术是一种制造工艺，广泛应用于硅基等不同材料的基底中。狭义上的MEMS技术通常指的是硅基传感器，但广义上的MEMS传感器包括所有采用MEMS工艺的产品。因此，即使某些传感器尺寸较大，只要采用了MEMS工艺，也可以被视为MEMS传感器。例如，坤为科技公司的MEMS传感器直径可达五六十毫米，不仅限于硅基材料。

Q:特斯拉在其机器人中使用的触觉MEMS传感器的单价和成本占比情况如何?

A:关于特斯拉机器人中使用的触觉MEMS传感器的单价和成本比例，目前公开信息不足。一般来说，对于检测单一触觉数据的机器人或人形机器人传感器，成本可以从几块钱到几十块不等。消费类产品成本更低，而随着性能提升，成本也可能增长到几百块钱。值得注意的是，根据以往数据，传感器成本在某些情况下可占总成本的31%,显示出在成本控制方面存在一定的挑战。但对于特斯拉具体使用的触觉MEMS传感器的成本情况，需要更多详细信息才能确定。

Q:传统压力传感器精度提升后，预期的市场价格会是多少?

A:一旦传统压力传感器的精度得到提升，其市场价格可能会升高到数千元的水平。

Q:目前六维力矩传感器的制造成本与传统金属箔相比有何差异?假设实现量产或工艺改进，成本下降的可能性有多大?

A:当前，六维力矩传感器的制造成本大致等同于传统金属箔的成本。然而，随着量产或工艺技术的改进，成本有望降低至少50%。目前，力矩传感器的价格可能高达数万元，但在实现量产之后，价格有可能下降到千元级别。如果在材料和工艺方面取得突破，价格甚至可能进一步降低至几百元。

Q:国内企业在生产六维力矩传感器时面临哪些挑战?

A:在国内企业制造六维力矩传感器的过程中，可能会遇到设备质量和材料选择等问题。其中，工艺问题占据了80%的比例，而剩余20%的问题则主要源于设计因素。为解决这些问题，我们需要提升工艺水平，考虑使用进口设备，并从设计端进行优化，提供更好的条件和结构设计。设计环节能够决定约80%的工艺成本。

Q:六维力矩传感器的核心制造工艺有哪些?

A:制造工艺主要包括正规科室的建设和常规要求，但特殊结构设计对工艺提出了挑战。设计的独特需求对常规工艺构成了挑战，其中设计扮演 着关键角色。

Q:后端封装测试中的问题如何影响六维力矩传感器的性能?

A:在后端封装测试中，密封性问题会对六维力矩传感器的性能产生影响。例如，它可能导致产品防水和防尘等级的差异，如IP67和IP65的差别。这种技术差异可能达到数量级的水平。

Q:在人形机器人中，触觉传感器的价值占比是多少?

A:在人形机器人中，所有传感器(包括触觉传感器、立体传感器、芯片等)的成本大约占机器人总成本的50%。通常情况下，触觉传感器在机器人 中的占比可能在3%~5%之间。

Q:MEMS传感器在人形机器人中的应用情况是怎样的?

A:MEMS传感器不仅应用于人形机器人的手掌部位，还在高精度设备中有所使用。在手掌部位的使用最为广泛，一个手掌可能需要3-5颗传感 器，两只手总计约为6-10颗。这些传感器有助于机器人感知力量，但随着精度要求的提高，传感器的单价可能会呈指数增长。

MEMS传感器厂商主要包括士兰微、美新半导体（非上市）、明皜传感（苏州固锝子公司，正在IPO）、矽睿科技（非上市）、深迪半导体（非上市）、敏芯股份等。

审核编辑 黄宇