氣體流量測控核心技術(shù)市場現(xiàn)狀分析

圍繞國家基礎(chǔ)研究與科技創(chuàng)新重大戰(zhàn)略需求，突破國外“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心部件國產(chǎn)化。項(xiàng)目重點(diǎn)支持高D科學(xué)儀器工程化研制與應(yīng)用開發(fā)，研制可靠、耐用、好用、用戶愿意用的高D科學(xué)儀器或其核心部件，切實(shí)提升我國科學(xué)儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，支撐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。

氣體流量是常規(guī)的檢測物理量之一，氣體流量的測量及控制在工業(yè)過程控制、半導(dǎo)體、光伏、燃料電池、分析儀、航空航天、醫(yī)療和科學(xué)研究等各個(gè)行業(yè)均發(fā)揮著極其重要的作用，在國計(jì)民生中的地位和研究價(jià)值也越來越高。氣體質(zhì)量流量計(jì)（Mass Flow Meter,MFM）用于氣體流量的測量，氣體質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller, MFC）由氣質(zhì)質(zhì)量流量計(jì)和比例閥組成，用于對氣體流量的精確控制，其市C規(guī)模超過300億元/年，帶動(dòng)市C規(guī)模超過10萬億元/年。

目前，氣體質(zhì)量流量控制器市C主要由歐美品牌主導(dǎo)，如圖1所示，2019年氣體質(zhì)量流量控制器市C占有L前15名的品牌中，國內(nèi)僅北京七星華創(chuàng)一家公司上榜，國內(nèi)品牌的市C總占有L不足3%。尤其在半導(dǎo)體刻蝕機(jī)、衛(wèi)星姿態(tài)控制儀、ICP質(zhì)譜儀等設(shè)備制造中所需要的高D  MFC產(chǎn)品，目前全部依賴進(jìn)口，該市C被美國MKS、日本Horiba、荷蘭Bronkhorst等歐美企業(yè)所壟斷，嚴(yán)重影響國家高D儀器設(shè)備的發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)及高D設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)的差壓式質(zhì)量流量控制器、基于毛細(xì)管的熱式質(zhì)量流量控制器已逐漸無法滿足要求，MEMS質(zhì)量流量控制器因靈敏度高、響應(yīng)速度快、量程比大、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展。歐美品牌已先后布局MEMS熱式質(zhì)量流量控制器，而國內(nèi)品牌仍以北京七星華創(chuàng)的毛細(xì)管熱式質(zhì)量流量控制器為主，這導(dǎo)致國內(nèi)外產(chǎn)品的差距越來越大。另一方面，隨著美國的不斷制裁，質(zhì)量流量控制器中采用的比例閥進(jìn)口也受到限制。而國產(chǎn)比例閥能力不足，這無疑加劇了技術(shù)“卡脖子”的現(xiàn)狀。

因此，半導(dǎo)體級質(zhì)量流量控制器及其核心部件的研制有助于解決國家“卡脖子”問題、提升半導(dǎo)體等重要產(chǎn)業(yè)的鏈條安全性。本項(xiàng)目擬從MEMS工業(yè)級流量傳感器芯片制備、壓電比例閥開發(fā)及電路和控制算法模型優(yōu)化三個(gè)方面開展相關(guān)研究工作，以解決“兩個(gè)核心”、完善“一個(gè)模型”為路線，開發(fā)出性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的氣體質(zhì)量流量控制器產(chǎn)品，并形成批量生產(chǎn)能力，在半導(dǎo)體、光伏、分析儀、航空、醫(yī)療等行業(yè)設(shè)備中進(jìn)行國產(chǎn)化替代，打破國外壟斷現(xiàn)狀。

產(chǎn)業(yè)鏈分析

氣體質(zhì)量流量控制器作為半導(dǎo)體設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)控制設(shè)備、ICP質(zhì)譜儀等設(shè)備的核心部件，目前主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重受制于歐美等西方國家。因此，氣體質(zhì)量流量控制器的國產(chǎn)化將直接影響高D科學(xué)分析儀器和先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備的發(fā)展及國產(chǎn)化進(jìn)程。

因此，作為氣體質(zhì)量流量控制器的技術(shù)基礎(chǔ)，MEMS流量傳感器芯片及比例閥的開發(fā)至關(guān)重要。只有成功研制出高性能、高可靠性MEMS芯片及比例閥，配合先進(jìn)電路及控制算法，才能制造出不亞于歐美產(chǎn)品的氣體質(zhì)量流量控制器，打破國外壟斷，突破“卡脖子”限制，實(shí)現(xiàn)高D儀器設(shè)備國產(chǎn)化，提升半導(dǎo)體、國防等重要產(chǎn)業(yè)的鏈條安全性。

核心技術(shù)難點(diǎn)分析

一、工業(yè)級MEMS流量傳感器芯片的制備?，F(xiàn)有的MEMS流量傳感器芯片通常在懸膜上制備加熱元件和敏感元件，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，懸膜的變形甚至破裂將直接影響器件的性能；另一方面，當(dāng)芯片受到污染、受潮或受到磨損后，可能導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至失效。因此，如何提升MEMS流量傳感器芯片的穩(wěn)定性和可靠性的一核心技術(shù)難點(diǎn)。

二、壓電比例閥的開發(fā)。一方面，目前國內(nèi)質(zhì)量流量控制器的生產(chǎn)主要依賴進(jìn)口的電磁比例閥，隨著制裁的加劇，比例閥的國產(chǎn)化顯得尤為重要；另一方面，傳統(tǒng)的比例閥普遍采用電磁技術(shù)，利用線圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力控制閥芯運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，且功耗大，抗干擾能力差，易損壞。因此，開發(fā)具有高精度、低功耗、快速響應(yīng)、抗電磁干擾的壓電比例閥，是另一核心技術(shù)難點(diǎn)。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益測算

“十三五”以來，隨著中國制造2025計(jì)劃的推進(jìn)，在高速增長的內(nèi)需拉動(dòng)下，我國設(shè)備制造業(yè)取得了長足的進(jìn)步，重大技術(shù)設(shè)備自主創(chuàng)新能力大幅提高，但由于國外對我國高性能MEMS芯片及關(guān)鍵核心部件的卡脖子限制，嚴(yán)重制約了我國高D儀器設(shè)備的發(fā)展，導(dǎo)致國民經(jīng)濟(jì)和國防安全的發(fā)展受制于人。MEMS流量傳感器芯片、壓電比例閥以及半導(dǎo)體級氣體質(zhì)量流量控制器，對于打破國外壟斷、提升行業(yè)的技術(shù)水平能夠起到非常好的推動(dòng)作用，預(yù)期可以獲得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

通過開展氣體質(zhì)量流量控制器及其核心部件的批量制造研究、能夠在芯片、模組和智能算法等全鏈條核心技術(shù)形成自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使我國質(zhì)量流量控制器及其下游高D儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)自主可控的發(fā)展，打破國外對氣體質(zhì)量流量控制器及其加工平臺(tái)的技術(shù)壟斷和市C壟斷，改變我國氣體質(zhì)量流量控制器長期依賴進(jìn)口、受制于人的困境，增強(qiáng)我國高D儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)國產(chǎn)化替代，有利于國家產(chǎn)業(yè)生態(tài)的合理布局，提升半導(dǎo)體、國防等重要產(chǎn)業(yè)的鏈條安全性。