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“十四五”期间国家科技创新部署:气体流量测控核心技术市场现状分析

发布时间:

2022-08-26 14:36

围绕国家基础研究与科技创新重大战略需求,突破国外“卡脖子”关键技术,实现关键核心部件国产化项目重点支持高端科学仪器工程化研制与应用开发,研制可靠、耐用、好用、用户愿意用的高端科学仪器或其核心部件,切实提升我国科学仪器自主创新能力和装备水平,促进产业升级发展,支撑创新驱动发展战略实施。

气体流量是最为常规的检测物理量之一,气体流量的测量及控制在工业过程控制半导体、光伏、燃料电池、分析仪、航空航天、医疗和科学研究等各个行业均发挥着极其重要的作用,在国计民生中的地位和研究价值也越来越高气体质量流量计(Mass Flow Meter,MFM)用于气体流量的测量,气体质量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC由气质质量流量计和比例阀组成,用于对气体流量的精确控制市场规模超过300亿元/年,带动市场规模超过10万亿元/年。

目前,气体质量流量控制器市场主要由欧美品牌主导,如图1所示,2019年气体质量流量控制器市场占有率前15名的品牌中,国内仅北京七星华创一家公司上榜,国内品牌的市场总占有率不足3%。尤其在半导体刻蚀、卫星姿态控制ICP质谱仪等设备制造所需要的高端MFC产品目前全部依赖进口,该市场被美国MKS日本Horiba荷兰Bronkhorst等欧美企业垄断,严重影响国家高端仪器设备的发展。

1  2019年气体质量流量控制器市场排名

随着半导体技术及高端设备的发展,传统的差压式质量流量控制器、基于毛细管的热式质量流量控制器已逐渐无法满足要求,MEMS质量流量控制器因灵敏度高、响应速度快、量程比大、抗污染能力强等优点得到迅速发展。欧美品牌已先后布局MEMS热式质量流量控制器,而国内品牌仍以北京七星华创的毛细管热式质量流量控制器为主,这导致国内外产品的差距越来越大。另一方面,随着美国的不断制裁,质量流量控制器中采用的比例阀进口也受到限制。而国产比例阀能力不足,这无疑加剧了技术卡脖子的现状。

因此,半导体级质量流量控制器及其核心部件的研制有助于解决国家卡脖子问题、提升半导体等重要产业的链条安全性。本项目拟从MEMS工业级流量传感器芯片制备、压电比例阀开发及电路和控制算法模型优化三个方面开展相关研究工作,以解决两个核心、完善一个模型为路线,开发出性能稳定、质量可靠的气体质量流量控制器产品,并形成批量生产能力,在半导体、光伏、分析仪、航空、医疗等行业设备中进行国产化替代,打破国外垄断现状。

  产业链分析

 

气体质量流量控制器作为半导体设备、卫星姿态控制设备、ICP质谱仪等设备的核心部件,目前主要依赖进口,严重受制于欧美等西方国家。因此,气体质量流量控制器的国产化将直接影响高端科学分析仪器和先进半导体设备的发展及国产化进程。

因此,作为气体质量流量控制器的技术基础,MEMS流量传感器芯片及比例阀的开发至关重要。只有成功研制出高性能、高可靠性MEMS芯片及比例阀,配合先进电路及控制算法,才能制造出不亚于欧美产品的气体质量流量控制器,打破国外垄断,突破卡脖子限制,实现高端仪器设备国产化,提升半导体、国防等重要产业的链条安全性。

  核心技术难点分析 

 

一、工业级MEMS流量传感器芯片的制备。现有的MEMS流量传感器芯片通常在悬膜上制备加热元件和敏感元件,结构稳定性差,悬膜的变形甚至破裂将直接影响器件的性能;另一方面,当芯片受到污染、受潮或受到磨损后,可能导致测量结果不准确甚至失效。因此,如何提升MEMS流量传感器芯片的稳定性和可靠性的一核心技术难点。

二、压电比例阀的开发。一方面,目前国内质量流量控制器的生产主要依赖进口的电磁比例阀,随着制裁的加剧,比例阀的国产化显得尤为重要;另一方面,传统的比例阀普遍采用电磁技术,利用线圈通电时产生的电磁力控制阀芯运动,结构复杂,响应速度慢,且功耗大,抗干扰能力差,易损坏。因此,开发具有高精度、低功耗、快速响应、抗电磁干扰的压电比例阀,是另一核心技术难点。

  经济社会效益测算

 

十三五以来,随着中国制造2025计划的推进,在高速增长的内需拉动下,我国设备制造业取得了长足的进步,重大技术设备自主创新能力大幅提高,但由于国外对我国高性能MEMS芯片及关键核心部件的卡脖子限制,严重制约了我国高端仪器设备的发展,导致国民经济和国防安全的发展受制于人。MEMS流量传感器芯片压电比例阀以及半导体级气体质量流量控制器,对于打破国外垄断、提升行业的技术水平能够起到非常好的推动作用,预期可以获得显著的社会经济效益。

通过开展气体质量流量控制器及其核心部件批量制造研究能够在芯片、模组和智能算法等全链条核心技术形成自主的知识产权,使我国质量流量控制器及其下游高端仪器设备产业自主可控的发展,打破国外对气体质量流量控制器及其加工平台的技术垄断和市场垄断,改变我国气体质量流量控制器长期依赖进口受制于人的困境,增强我国高端仪器设备的自主创新能力,促进国产化替代,有利于国家产业生态的合理布局,提升半导体、国防等重要产业的链条安全性。

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