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    2020年國產傳感器10大發展趨勢

    發布時間:2020/7/16編輯:Ma Liang 人氣:3105

      【阿儀網 行業資訊】傳感器與通信技術、芯片、操作系統被稱為現代信息技術和物聯網的四大核心技術,其應用涉及社會生活的各個領域。隨著5G技術華為的突破和北斗星鏈的成型,國內在通信技術領域掌握核心技術,但是與芯片和操作系統引起國內的普遍關注,傳感器技術仍然存在差距。

    一、界定傳感器

    科技,是人體的延伸。如果說,機械延伸了人類的體力,計算機延伸了人類的智力,那么,傳感器技術,大大延伸了人類的感知力。

    傳感器,英文稱 Sensor 或是 Transducer.“傳感器”在新韋式大詞典中定義為:“從一個系統接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義,傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式,所以不少學者也用“換能器-Transducer”來稱謂“傳感器-Sensor”。

    簡單來說,傳感器就是一種檢測裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成,可以測量信息,也可以讓用戶感知到信息。通過變換方式,讓傳感器中的數據或價值信息轉換成電信號或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

    二、傳感器的分類

    目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規范,尚未制定出權威性的傳感器標準類型。只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。

    例如,物理傳感器有:聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等;化學傳感器有:各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現象等等;生物傳感器有:酶電極和介體生物電等等。在產品用途和形成過程中的因果關系互相咬合,既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類,難以嚴格劃分。
    傾角傳感器
    用傳感器分類和命名方式,主要有以下幾種類型:

    (1)按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。

    (2)按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。

    (3)按照供電方式可分為有源或無源傳感器。

    (4)按其輸出信號可分為模擬量輸出、數字數字量輸出和開關量傳感器。

    (5)按傳感器使用的材料可分為:半導體材料;晶體材料;陶瓷材料;有機復合材料;金屬材料;高分子材料;超導材料;光纖材料;納米材料等傳感器。

    (6)按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。

    (7)按照其制造工藝,可分為機械加工工藝;復合與集成工藝;薄膜、厚膜工藝;陶瓷燒結工藝;MEMS工藝;電化學工藝等傳感器。

    全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種,我國已經擁有約1.4萬多種,大多為常規類型和品種;7000多種可產品化,而在醫療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白,存在著較大的技術創新空間。

    三、傳感器技術的三個歷史發展階段

    第1代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。例如:電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。

    第2代傳感器是70 年代開始發展起來的固體傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成的。如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。

    70年代后期,隨著集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展, 出現集成傳感器。集成傳感器包括2種類型:傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化。例如:電荷耦合器件(CCD),集成溫度傳感器AD 590,集成霍爾傳感器UG 3501等。這類傳感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點。集成傳感器發展非常迅速,現已占傳感器市場的2/ 3 左右,它正向著低價格、多功能和系列化方向發展。

    第3代傳感器是80年代剛剛發展起來的智能傳感器。所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力,是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。

    四、國內外發展歷程與現狀

    20世紀70年代初,西方發達國家大力發展計算機與通訊技術,忽視了傳感器技術發展,傳感器產業相對慘淡。

    80年代初,美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術發展的方針,視為涉及科技進步、經濟發展和國家安全的關鍵技術,紛紛列入長遠發展規劃和重點計劃之中。并采取嚴格的保密規定對技術封鎖和控制,禁止技術出口,尤其是針對中國。

    日本1979年在《對今后十年值得注意的技術》中將傳感器列為首位;

    美國國防部1985年公布的二十項軍事關鍵技術中,被列為第十四項;《星球大戰》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯《軍事航天》計劃,英、法、德等國家高技術領域發展規劃中均將傳感器列為重點發展技術,并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術。

    美國認為,計算機技術是核心,敏感技術、光電子技術是關鍵和重點,新材料、微電子技術是支撐和基礎。通信與計算機結合,以及多元化、新技術的融合代表著美國信息技術發展方向。

    美國國家科學發展基金會認為,本世紀的重大變革就是:通過網絡,把物質世界聯接起來,并賦予它一個電子神經系統,使它具有能夠感知信息的生命,而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預算約有69億美元,用于傳感器基礎技術與應用研究,稱其為"Sensor Revolution"(即:傳感器革命)。

    美國的科技發展模式遵循先軍工后民用、先改進后普及的發展道路,其特點是顯著的:

    (1)重視傳感器功能材料的研究;

    (2)重視傳感器技術的發展;

    (3)重視工藝研究:傳感器的原理不難,也不保密,最機密的是工藝(制造)。

    而中國傳感器行業相比于西方國家要較晚開始。1972年我國組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產單位;1974年,研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器;1978年,誕生中國第一個固態壓阻加速度傳感器;1982年,國內最早開始硅微機械系統(MEMS)加工技術和SOI(絕緣體上硅)技術的研究。進入20世紀90年代后,硅微機械加工技術的絕對壓力傳感器、微壓傳感器、呼吸機壓傳感器、多晶硅壓力傳感器、低成本TO-8封裝壓力傳感器等相繼問世并實現生產。

    改革開放30年來,我國傳感器技術及其產業取得了長足進步,主要表現在:建立了傳感技術國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術工程中心等研究開發基地;MEMS、MOEMS(微光機電系統)等研究項目列入了國家高新技術發展重點;在“九五”國家重點科技攻關項目中,傳感器技術研究取得了51個品種86個規格新產品的成績,初步建立了敏感元件與傳感器產業。

    目前,中國傳感器產業正處于由傳統型向新型傳感器發展的關鍵階段,它體現了新型傳感器向微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化發展的總趨勢。

    五、中國傳感器與國外的差距


    目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導。美國、日本、德國及中國合計占據全球傳感器市場份額的72%,其中中國占比約11%。而且中國傳感器整體技術含量也較低,是目前急需改變的一個狀態。

    雖然近幾年中國傳感器市場發展很快,但本土傳感器技術與世界水平相比仍存在很大差距。這種差距,一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規模化應用,導致國內的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上依舊難有競爭力。

    目前,中國中高端傳感器進口占比達80%,傳感器芯片進口更是達90%,國產化缺口巨大。其中數字化、智能化、微型化等高新技術產品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產品主要依賴進口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表,國外對我國往往采取限制。外資企業產品占據國內高端市場絕大多數的市場份額,并將會在今后很長一段時間內持續把持高端市場,這種勢頭在短期內不會得到根本轉變。

    同時,國有企業發展處于平穩增長狀態,總體上跟不上國外最新技術發展的步伐,除少數廠家外,總體差距有擴大的趨勢。這是因為傳感器技術發展快,工藝和制造設備更新快,許多新設備國內廠商無法制造等原因造成的。并且設備的單臺價格少則幾十萬美元,多則數百萬美元,絕大多數廠家靠自身積累很難購買新型設備,致使在許多新技術、新工藝方面無法跟上國外企業飛速發展的步伐。

    六、2020年中國傳感器發展趨勢

    1、智能傳感器、MEMS傳感器成為企業發展重心

    在結構型傳感器、固體型傳感器已經無法滿足數字化時代對于數據采集、處理等流程的高需求之時,智能傳感器、MEMS傳感器最近幾年都十分熱門,在微小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向逐漸走向成熟。尤其是在2019年底,上海啟動打造智能傳感器產業基地,重點發展MEMS工藝,涵蓋力、光、聲、熱、磁、環境等多種類傳感器,這也標志著未來國內將在智能傳感器、MEMS傳感器領域發力。

    2、傳感器與集成電路融合發展將成為我國傳感器制造重要趨勢

    傳感器屬于集成電路的細分領域,但是區別甚大,傳感器的柔性化定制需求較大,并且研發周期較長,材料以及工藝較為復雜,大規模生產能力較弱。

    在未來,通過設計工具、模型表達、可測性設置以及工藝整合等途徑向集成電路靠攏,可利用MEMS和集成電路Ansys、Candence定制仿真平臺的集成融合;同時,建立傳感器生產制造的IP模型,實現規模化量產;再而采用素質化測試方式,實現數模的機理轉化;通過利用這些適合國內國情的發展模式,實現傳感器從設計到制造的快速升級。

    3、企業細分垂直化,獨角獸和隱形冠軍逐漸浮出水面

    國內傳感器企業規模主要偏向中小型,在研發支出、創新能力上有限,而且獲得的政策扶持力度上也不大,深耕垂直領域的企業眾多。再加上,由于國內目前物聯網、工業4.0市場規模過于龐大,且需求碎片化,這些垂直領域的企業在市場有序化之前,對于自身業務拓展可能處于保守態度,繼續發展原有業務。

    在“一口吃不了一個大胖子”的格局下,我們將會在2020年,看到更多在原有業務領域發展壯大的隱形冠軍,以及創新環境下涌現出來的獨角獸。

    4、傳感器國產率將穩步上升

    傳感器作為影響國內物聯網、工業4.0等產業快速發展的卡脖子技術之一,一直都是依賴國外產品。最近幾年,政策、資本都在關注傳感器的發展,同時也涌現出了一批像森霸傳感、萬訊自控這些國內傳感器優質企業,在兼具研發、設計、生產到應用的完整產業體系的情況下,傳感器國產率將會穩步前進,根據統計,在2016-2020年期間,全球傳感器市場復合增長率僅為11%,而我國傳感器產業平均復合增長率達到了30%,這也是向全世界發出了高調的信號。

    5、國內產業集群格局明顯

    早在2017年,我國傳感器產業就已經初步形成了長三角、珠三角、東北、京津冀以及中部五大產業集群。根據數據統計,長三角區域的傳感器上市企業占比38%,珠三角、京津冀、東北以及中部企業占比相當。

    在工信部印發的《智能傳感器產業三年行動指南(2017-2019年)》要求中表示,“集中力量打造以上海、江蘇為重點的長三角產業集聚區”,同時,截止2020年1月,長三角地區已經聚集了50%以上的智能傳感器企業,在此大環境下,國內智能傳感器的中心無疑將落地長三角,而其他產業集群極有可能將會根據傳感器其他細分領域進行深耕。

    6、CMOS圖像傳感器競爭將進入最后階段

    由于車載應用、機器視覺、人臉識別和安防監控等物聯網應用的迅速發展,以及智能手機多攝像頭的普及,2019年CMOS圖像傳感器進入了市場急劇擴大的階段,而作為CMOS圖像傳感器的龍頭老大,占據50%以上市場份額的索尼主動承認自家產能不足。

    在索尼產能不足的情況下,CMOS圖像傳感器的另外兩家巨頭,三星和豪威科技,能不能在索尼擴建工廠之前,搶占部分市場份額,最終形成三國鼎立的局面,將會是2020年最有看頭的大戲。

    7、光學傳感器將成為重要創新推手,技術市場局勢明顯

    從消費、工業再到汽車,無一不包含了物聯網的元素,也正是得益于物聯網、機器人這些下游應用市場,光學傳感器市場也在快速增長。根據GlobalMarketInsights在2019年底發布的數據來看,到2026年,僅在工業4.0領域,光學傳感器的銷售額將達到360億美元,更何況大批量使用傳感器的智慧城市、智慧農業等領域。

    不過,需要指出的是,由于光傳感器目前主流的三種技術,結構光、主動立體視覺以及ToF,這三者的成本和技術上各有利弊,在2020年物聯網穩步發展的同時,這三種技術的市場也逐漸趨于平穩。

    8、傳感器的定制化方案更深、更廣

    由于功能以及應用場景等因素,傳感器本身自帶定制化特性。傳統的標準型傳感器已經無法滿足OEM的設計需求,同時也無法滿足終端用戶的偏好,在2019年,我們不乏看到一些智能手機廠商與索尼、三星等傳感器企業合作定制傳感器。

    在物聯網應用場景逐漸向廣度和深度拓展,更多的功能和設計細節將會出現,具有傳感器的定制方案以及柔性化生產能力的企業會在未來獲得OEM廠商的青睞。

    9、多傳感器融合技術風頭逐步顯現

    為人熟知,多傳感器融合技術目前主要應用在自動駕駛和機器人領域,即使馬斯克在2019年,怒懟激光雷達又貴又雞肋,但是還是逃不脫自家超聲波傳感器、攝像頭以及毫米波雷達的組合使用。自動駕駛安全性需要傳感器的冗余支持,以及多種傳感器協同提升容錯率,可以預見,在未來一段時間內,自動駕駛的多傳感器融合將成為市場的主流,進一步大膽預測,在可穿戴設備、健康檢測、智能家居等領域,多傳感器融合技術將會得到進一步應用和發展。

    10、國際并購、收購案件增多

    傳感器作為一個老牌行業,一直都位于各大產業發展的最底層。所謂圈內人看門道,正是由于傳感器是最基礎的行業,其產業資源相當厚實。動輒幾十億美元美元的收購、并購可不是鬧著玩的,TE在2014年 17億美元收購MEAS,AMS在2019年46億歐元收購歐司朗、索尼1.55億收購東芝圖像傳感器部門,這些大宗收購案例都表明了大企業在數字化時代下,穩住自身的高市場份額。

    在2020年,來自中國傳感器產業的大力發展,勢必將對全球傳感器企業的市場造成一定的沖擊,同時,在物聯網傳感器大量應用的當下,還沒有一家企業能夠在某個領域成為霸主。為了穩固自身市場份額,壓縮競爭對手的發展空間,更多涉足新形態領域,國際并購、收購案件將會持續增加。

    微信號:ayiwangapp17

    (來源: 中國儀器儀表行業協會 )

    標簽:傳感器,重力傳感器,溫濕度傳感器

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