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从TMR的国内外现状、壁垒解析未来破局点

之前写过一篇关于TMR技术功能和优势的内容,因而也收到一些技术工程师的回应和问询,主要关于国内TMR的环境和目前现状。

其实非常能够理解终端或者集成商对于国内技术的关切度,因为不管从元器件哪个分支去评估,国内厂商对标国外厂商,在元件产品档位相当的情况下,往往都具有成本低、运输快、量产猛这些实打实的优势。而元器件厂商又是一个靠量产和出货来谋求生存和发展的行业,所以能否享受到这些优势带来的红利,是至关重要的。但矛盾点也非常明显,在于一些高精尖的前沿技术,事实上国内并没有成熟配套的产品线,一直是处于追赶国外节奏中,而如果没有达到国外技术的高端性,上述说的这些实打实的优势也只不过是一种“低价买低端”的无奈之举,依然无法从顶尖技术中获得优势应用的延展性。而TMR其实就属于这种。今天就主要来说一下,TMR技术在国内的综合现状和技术壁垒性,以及未来的国内破局点。

历史原因是国内TMR先天不足的根源

可能先天不足导致土壤匮乏是国内众多高精技术及其行业得不到有效发展的通病,而TMR的现状可能是尤其显著的一支。

从历史去看,这个短板问题会显露得尤其尖锐和露骨。 从1856年威廉·汤姆森发现磁阻效应,到1975年Michel Julliere发现低温条件下TMR效应,国外科学家花了近120年。然后又用了20年,在1995年Terunobu Miyazaki 和Moodera才发现了室温下的TMR,这才把TMR推向实用化,当然这个实用化依然是停留在极少数的工业级和学术级。之后的11年内,TMR技术在国外可以说是迅猛崛起的11年,先是发现MgO作为新一代绝缘层材料(替代了原有材料锗Ge),然后发现了CoFeB/MgO/CoFeB材料的高电阻率变化,接踵产生的连锁反应是第一批次专注于TMR技术研发的公司开始冒头,其中包括我之后会提及的专注TMR技术型公司Crocus,而从那时起TMR技术算是正式获得业界重视并进入大规模商业开发阶段,这里划个重点,国外对于该项技术的发现到商业化经历了整整150年,尽管这个时间里有很多冗余处在发现停滞状态,但对于技术的发明和探索依然存在100多年的积累,这保证了国外在该项技术上有着绝对优势和相对垄断性,这是无可辩驳的。那反观国内呢?有据可查的搜索资料里,国内最早投入TMR技术研发的公司多维成立在10年前,并且先进技术和产品依然选择从国外引进,这在早年的网络wiki问答里得到较为官方的回复。纵使满打满算,国内TMR技术的发展时间远远不足国外的十分之一。

(内容选自网络)

至此,抛开国家属性和关系这些复杂因素,就技术论技术而言,对于TMR国内现状应该可以产生比较明晰的认识,我国在TMR技术领域确实存在落后先进国家的情况,当然百余年的积淀差距一定在迅速缩小,但也远非几年之功可以赶上。

TMR的技术壁垒不只是技术,也是行业顽疾

很多人一定会存在不解或者不服,我们国家是举世公认的工业生产和制作大国,工业GDP万亿级,为何会追赶不上国外先进技术,TMR的技术壁垒到底在哪里?从笔者的角度看,这个壁垒性是技术和行业环境共同构筑的,并非短期内可以改变。

一方面是技术,事实上对于TMR来说,核心技术唯有两类,材料和制造。在当下,TMR的技术原理其实已经没有那么神秘不可知了。但是在商业化和工业化使用时,对于使用隧穿磁阻效应的模块,如何在封装大小、线性度、敏感度、测量范围、测量精度、接触形态,包括成本上产生差异和优势,这是全新命题。而这个命题里,材料,尤其是绝缘体材料,可能是重中之重。所以对于TMR技术公司来说,争的向来不是某一个新配件或者新产品的发明,争的是专利,更准确地说是材料专利和制造专利,材料决定了TMR技术的先进性,而制造决定了TMR先进性的实现度和产能。也正是这两方面,基于专利的保护性,让国外技术企业在面向国内企业时,无论是哪种形式的技术引出或者输出依然处在一个技术封锁的状态之下。这是第一层壁垒。这里可以顺势提一下对于选择TMR技术供应商的甄别,因为这里面有一个比较有趣的现象,有些技术公司对外展示了诸多专利,但细数材料和制造专利很少,而有些公司专利量不多甚至官网不可查,对于材料和制造专利也模糊露出,生怕被业内找到进一步研发的线索,而实际上却是个隐藏大佬,所以基于排雷原则,请务必好好咨询和检索TMR材料和制造上的能力是甄别TMR供应商技术实力的硬道理。

第二层壁垒来自于行业内部竞争和战略定位,更准确的说是工业技术研发和制造企业所在的行业。我国的工业化研发和制造处在一个非常高速的增长期,这其中的本质原因在于在世界舞台上,我国的工业市场格局是一个典型的买方市场。某种程度上,客户决定了行业的产能结构、产量、形态,甚至是国内的内部竞争关系。而在国内低成本优势战略的巨大红利之下,行业内的企业们是选择迎合适配还是选择挑战突破是一个昭然若揭的选择题。这也造就了国内工业企业的战略定位大环境,普遍会把自己定义为世界舞台上的领先者或者不可或缺人,少数才会把自身战略定位到跟随派或者稀有技术补缺人。这个定位的差异并不是简单的口号差异,这直接关系到企业,乃至整个大行业,在资源配置、技术重心、未来布局等诸多方面的长期计划。同时,这也意味着在这样的大环境之下,TMR技术作为众多新型技术里的一支,要在国内得到自主性地重点培育,是非常困难的。但在国外,这个状态几乎可以说是截然相反。西方工业化早就进入了成熟阶段,甚至有些已经进入了衰退阶段。这让西方的工业企业养成了更“惜命”的战略思考,在大环境不景气的时候,没有理由维持增长型的战略态势,战略紧缩才是生存之道,把自己定位成“领先者”的企业只有那凤毛菱角的几个“金刚钻”。而在这种格局之下,多元领域下的技术壁垒只会更稳固,这保证了在他们的卖方市场下,他们可以前进的更扎实。

TMR的性能差距到底有多大?

说了那么多环境和技术方面的现状,我们不妨聚焦下具体产品,这无疑可以对TMR性能差异有更直观的了解。结合我上一篇《隧穿磁阻技术,磁传感器的领军者》提到的TMR的应用分支,我选择分别聚焦在电流检测向、线性检测向以及旋转角度检测向的不同TMR模块产品性能进行对比。而在品牌上,我选择了Dowaytech(多维)、Sinomags、TDK以及Crocus(Murata)四个企业的产品,其中Crocus就是上文提到的第一批专注TMR技术的公司,它代表了TMR技术在世界范围的当下制高区之一,同时也代表了在国内目前可获取渠道上TMR技术的先进上限,由于在亚太地区运作问题,Crocus是由Murata村田制作所进行独家授权代理,所以记为Crocus(Murata)。

首先在电流检测和线性检测领域,我在上一篇《隧穿磁阻技术,磁传感器的领军者》有提到,电流和线性测量,可能是TMR传感器最大最有价值的应用方向之一了。原因是,无论对于液位计测量还是超大电流检测,磁传感器有着先天优势,而TMR的高精度、小体积和稳定性又是众多磁传感器优势中的战斗机。

通过比较不难看出,在电流测量范围内大于±1000A可能是行业高点,而对于线性测量来说,±20mT的范围区间也是一个高基准值,在这2个区间内,基本上也可以覆盖到了当下对应领域内的全应用层。但在这个层面之后,性能的差异就变得明显起来。

首先是封装尺寸,Crocus(Murata)最小的CT100(DFN),大概只有Sinomags的STK-GB的1/4758,蚂蚁和大象的尺寸差距,同比也只有Dowaytech的1/12.8,这个大小差别不可谓不骇人。我举个例子,或许更能解释为什么小型化那么重要了。伴随着物联网生态系统的下阶段布局,智能开关和电流检测系统已经开始走入视线,而在这个技术应用下,磁传感技术一定是当仁不让的首选,当然严谨一点说,不能保证TMR是唯一之选,但是在TMR模块的选择范围内,小型化的极限直接决定了下一代的物联开关系统,乃至生态衍生产品存在或者不存在两种可能性,这也是为什么越是先进的元件模块越往小型化去制作,RFID是这样,TMR也是这样。第二个重要性能差异在于线性度,线性度是TMR传感器体现其精度的重要指标。线性度上下幅度越小,说明测量数据的基本误差极限和影响量引起的改变量极限越小,这里的影响量指的是类似于温度、湿度、光线等环境干扰元素,更简单地说也就是测量越精准。在数据来看,±0.5%(MAX)表示最多产生±0.5%的线性误差极限,±1%(TYP)表示普遍典型产品会存在有±1%的线性误差极限,这样去看,其实不存在什么可比较性,这里反而值得一说的是Dowaytech的±1.2%(TYP),从有干扰因素的环境下的应用产品端去审视这个性能,都是一个巨大的短板。因为事实上来说,TMR技术所在的领域要脱离干扰因素从目前看是相对比较难的,无论是电表水表的液位计、充电桩、光伏太阳能板,一定会需要面对干扰环境,较高的线性误差极限就很有可能会带来较高的次品率和不良率。第三个重要性能差异在于灵敏度。其实灵敏度的差异是一个根据产品和应用需求来决定好坏的标准。有些应用需求需要高灵敏度来极限化响应时间,而有些应用需求需要不高的灵敏度去增强测量数据时的稳定性。所以这是一个应需决定的性能。

综上去看,电流检测和线性检测向的TMR技术Crocus(Murata)的优势非常明显。

我们再来看旋转角度检测的TMR相关模块性能。同样在360度无接触标准下,3块TMR模块的性能差别也有了些微的体现。首先依然是封装尺寸上,Crocus(Murata)的CT310(DFN)仅是Dowaytech TMR3005的1/4.5,TDK TAS2143-AAAA的1/10.7。而在精确度方面,最高0.6°的精细基准也确实会比0.6°(TYP)下的不确定性来的更有技术保障,更遥遥领先0.8°的上限精度。自此,Crocus(Murata)的优势已无需过多标榜,属于有目共睹的技术领先态势。

那这么来看,我国的TMR发展岂不是遥遥无期?也并非没有破局点。从发展来说,TMR对于未来各领域的应用帮助是划时代意义的。当我们放下国别,从技术务实出发,重新寻求国内技术和应用的增长方式,可能才有机会在未来真正把我国的领先技术带到世界舞台上和西方分庭抗礼。而眼下,从需求培育端出发,无论是引进和采购,尽可能靠拢国际化最新型技术优势,让更多有价值的应用和领域发展起来,维系住TMR等先进技术的市场需求,倒逼买方市场进行先进技术需求的释放,这样才能良性驱动先进技术在国内环境下的蓬勃发展。