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聚集国产!2020年中国传感器10大发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-07-16  来源:传感器专家网  浏览次数:124
核心提示:传感器与通信技术、芯片、操作系统被称为现代信息技术和物联网的四大核心技术,其应用涉及社会生活的各个领域。随着5G技术华为的
 

 

传感器与通信技术、芯片、操作系统被称为现代信息技术和物联网的四大核心技术,其应用涉及社会生活的各个领域。随着5G技术华为的突破和北斗星链的成型,国内在通信技术领域掌握核心技术,但是与芯片和操作系统引起国内的普遍关注,传感器技术仍然存在差距。

 

一、界定传感器

 

科技,是人体的延伸。如果说,机械延伸了人类的体力,计算机延伸了人类的智力,那么,传感器技术,大大延伸了人类的感知力。

 

传感器,英文称 Sensor 或是 Transducer.“传感器”在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

 

简单来说,传感器就是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息,也可以让用户感知到信息。通过变换方式,让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

 

二、传感器的分类

 

目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威性的传感器标准类型。只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。

 

例如,物理传感器有:声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等;化学传感器有:各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等;生物传感器有:酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合,既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,难以严格划分。

 

用传感器分类和命名方式,主要有以下几种类型:

 

(1)按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

 

(2)按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

 

(3)按照供电方式可分为有源或无源传感器。

 

(4)按其输出信号可分为模拟量输出、数字数字量输出和开关量传感器。

 

(5)按传感器使用的材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料等传感器。

 

(6)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

 

(7)按照其制造工艺,可分为机械加工工艺;复合与集成工艺;薄膜、厚膜工艺;陶瓷烧结工艺;MEMS工艺;电化学工艺等传感器。

 

全球产品化的传感器种类约有2.6万余种,我国已经拥有约1.4万多种,大多为常规类型和品种;7000多种可产品化,而在医疗、科研、微生物、化学分析等特殊品种上仍有短缺和空白,存在着较大的技术创新空间。

 

三、传感器技术的三个历史发展阶段

 

第1代是结构型传感器,它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

 

第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

 

70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展, 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD 590,集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/ 3 左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

 

第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

 

四、国内外发展历程与现状

 

20世纪70年代初,西方发达国家大力发展计算机与通讯技术,忽视了传感器技术发展,传感器产业相对惨淡。

 

80年代初,美、日、德、法、英等国家相继确立加速传感器技术发展的方针,视为涉及科技进步、经济发展和国家安全的关键技术,纷纷列入长远发展规划和重点计划之中。并采取严格的保密规定对技术封锁和控制,禁止技术出口,尤其是针对中国。

 

日本1979年在《对今后十年值得注意的技术》中将传感器列为首位;

 

美国国防部1985年公布的二十项军事关键技术中,被列为第十四项;《星球大战》计划、欧洲《尤里卡》计划、前苏联《军事航天》计划,英、法、德等国家高技术领域发展规划中均将传感器列为重点发展技术,并将其科研成果和制造工艺与装备列入国家核心技术。

 

美国认为,计算机技术是核心,敏感技术、光电子技术是关键和重点,新材料、微电子技术是支撑和基础。通信与计算机结合,以及多元化、新技术的融合代表着美国信息技术发展方向。

 

美国国家科学发展基金会认为,本世纪的重大变革就是:通过网络,把物质世界联接起来,并赋予它一个电子神经系统,使它具有能够感知信息的生命,而能够担当这一重任的核心就是传感器”。每年度财政预算约有69亿美元,用于传感器基础技术与应用研究,称其为"Sensor Revolution"(即:传感器革命)。

 

美国的科技发展模式遵循先军工后民用、先改进后普及的发展道路,其特点是显着的:

 

(1)重视传感器功能材料的研究;

 

(2)重视传感器技术的发展;

 

(3)重视工艺研究:传感器的原理不难,也不保密,最机密的是工艺(制造)。

 

而中国传感器行业相比于西方国家要较晚开始。1972年我国组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位;1974年,研制成功中国第一个实用压阻式压力传感器;1978年,诞生中国第一个固态压阻加速度传感器;1982年,国内最早开始硅微机械系统(MEMS)加工技术和SOI(绝缘体上硅)技术的研究。进入20世纪90年代后,硅微机械加工技术的绝对压力传感器、微压传感器、呼吸机压传感器、多晶硅压力传感器、低成本TO-8封装压力传感器等相继问世并实现生产。

 

改革开放30年来,我国传感器技术及其产业取得了长足进步,主要表现在:建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地;MEMS、MOEMS(微光机电系统)等研究项目列入了国家高新技术发展重点;在“九五”国家重点科技攻关项目中,传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩,初步建立了敏感元件与传感器产业。

 

目前,中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段,它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

 

五、中国传感器与国外的差距

 

目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导。美国、日本、德国及中国合计占据全球传感器市场份额的72%,其中中国占比约11%。而且中国传感器整体技术含量也较低,是目前急需改变的一个状态。

 

虽然近几年中国传感器市场发展很快,但本土传感器技术与世界水平相比仍存在很大差距。这种差距,一方面表现为传感器在感知信息方面的落后,另一方面,则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。由于没有形成足够的规模化应用,导致国内的传感器不仅技术低,而且价格高,在市场上依旧难有竞争力。

 

目前,中国中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口更是达90%,国产化缺口巨大。其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品严重短缺。国家重大装备所需高端产品主要依赖进口。而涉及国家安全和重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表,国外对我国往往采取限制。外资企业产品占据国内高端市场绝大多数的市场份额,并将会在今后很长一段时间内持续把持高端市场,这种势头在短期内不会得到根本转变。

 

同时,国有企业发展处于平稳增长状态,总体上跟不上国外最新技术发展的步伐,除少数厂家外,总体差距有扩大的趋势。这是因为传感器技术发展快,工艺和制造设备更新快,许多新设备国内厂商无法制造等原因造成的。并且设备的单台价格少则几十万美元,多则数百万美元,绝大多数厂家靠自身积累很难购买新型设备,致使在许多新技术、新工艺方面无法跟上国外企业飞速发展的步伐。

 

六、2020年中国传感器发展趋势

 

1、智能传感器、MEMS传感器成为企业发展重心

 

在结构型传感器、固体型传感器已经无法满足数字化时代对于数据采集、处理等流程的高需求之时,智能传感器、MEMS传感器最近几年都十分热门,在微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向逐渐走向成熟。尤其是在2019年底,上海启动打造智能传感器产业基地,重点发展MEMS工艺,涵盖力、光、声、热、磁、环境等多种类传感器,这也标志着未来国内将在智能传感器、MEMS传感器领域发力。

 

2、传感器与集成电路融合发展将成为我国传感器制造重要趋势

 

传感器属于集成电路的细分领域,但是区别甚大,传感器的柔性化定制需求较大,并且研发周期较长,材料以及工艺较为复杂,大规模生产能力较弱。

 

在未来,通过设计工具、模型表达、可测性设置以及工艺整合等途径向集成电路靠拢,可利用MEMS和集成电路Ansys、Candence定制仿真平台的集成融合;同时,建立传感器生产制造的IP模型,实现规模化量产;再而采用素质化测试方式,实现数模的机理转化;通过利用这些适合国内国情的发展模式,实现传感器从设计到制造的快速升级。

 

3、企业细分垂直化,独角兽和隐形冠军逐渐浮出水面

 

国内传感器企业规模主要偏向中小型,在研发支出、创新能力上有限,而且获得的政策扶持力度上也不大,深耕垂直领域的企业众多。再加上,由于国内目前物联网、工业4.0市场规模过于庞大,且需求碎片化,这些垂直领域的企业在市场有序化之前,对于自身业务拓展可能处于保守态度,继续发展原有业务。

 

在“一口吃不了一个大胖子”的格局下,我们将会在2020年,看到更多在原有业务领域发展壮大的隐形冠军,以及创新环境下涌现出来的独角兽。

 

4、传感器国产率将稳步上升

 

传感器作为影响国内物联网、工业4.0等产业快速发展的卡脖子技术之一,一直都是依赖国外产品。最近几年,政策、资本都在关注传感器的发展,同时也涌现出了一批像森霸传感、万讯自控这些国内传感器优质企业,在兼具研发、设计、生产到应用的完整产业体系的情况下,传感器国产率将会稳步前进,根据统计,在2016-2020年期间,全球传感器市场复合增长率仅为11%,而我国传感器产业平均复合增长率达到了30%,这也是向全世界发出了高调的信号。

 

5、国内产业集群格局明显

 

早在2017年,我国传感器产业就已经初步形成了长三角、珠三角、东北、京津冀以及中部五大产业集群。根据数据统计,长三角区域的传感器上市企业占比38%,珠三角、京津冀、东北以及中部企业占比相当。

 

在工信部印发的《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)》要求中表示,“集中力量打造以上海、江苏为重点的长三角产业集聚区”,同时,截止2020年1月,长三角地区已经聚集了50%以上的智能传感器企业,在此大环境下,国内智能传感器的中心无疑将落地长三角,而其他产业集群极有可能将会根据传感器其他细分领域进行深耕。

 

6、CMOS图像传感器竞争将进入最后阶段

 

由于车载应用、机器视觉、人脸识别和安防监控等物联网应用的迅速发展,以及智能手机多摄像头的普及,2019年CMOS图像传感器进入了市场急剧扩大的阶段,而作为CMOS图像传感器的龙头老大,占据50%以上市场份额的索尼主动承认自家产能不足。

 

在索尼产能不足的情况下,CMOS图像传感器的另外两家巨头,三星和豪威科技,能不能在索尼扩建工厂之前,抢占部分市场份额,最终形成三国鼎立的局面,将会是2020年最有看头的大戏。

 

7、光学传感器将成为重要创新推手,技术市场局势明显

 

从消费、工业再到汽车,无一不包含了物联网的元素,也正是得益于物联网、机器人这些下游应用市场,光学传感器市场也在快速增长。根据GlobalMarketInsights在2019年底发布的数据来看,到2026年,仅在工业4.0领域,光学传感器的销售额将达到360亿美元,更何况大批量使用传感器的智慧城市、智慧农业等领域。

 

不过,需要指出的是,由于光传感器目前主流的三种技术,结构光、主动立体视觉以及ToF,这三者的成本和技术上各有利弊,在2020年物联网稳步发展的同时,这三种技术的市场也逐渐趋于平稳。

 

8、传感器的定制化方案更深、更广

 

由于功能以及应用场景等因素,传感器本身自带定制化特性。传统的标准型传感器已经无法满足OEM的设计需求,同时也无法满足终端用户的偏好,在2019年,我们不乏看到一些智能手机厂商与索尼、三星等传感器企业合作定制传感器。

 

在物联网应用场景逐渐向广度和深度拓展,更多的功能和设计细节将会出现,具有传感器的定制方案以及柔性化生产能力的企业会在未来获得OEM厂商的青睐。

 

9、多传感器融合技术风头逐步显现

 

为人熟知,多传感器融合技术目前主要应用在自动驾驶和机器人领域,即使马斯克在2019年,怒怼激光雷达又贵又鸡肋,但是还是逃不脱自家超声波传感器、摄像头以及毫米波雷达的组合使用。自动驾驶安全性需要传感器的冗余支持,以及多种传感器协同提升容错率,可以预见,在未来一段时间内,自动驾驶的多传感器融合将成为市场的主流,进一步大胆预测,在可穿戴设备、健康检测、智能家居等领域,多传感器融合技术将会得到进一步应用和发展。

 

10、国际并购、收购案件增多

 

传感器作为一个老牌行业,一直都位于各大产业发展的最底层。所谓圈内人看门道,正是由于传感器是最基础的行业,其产业资源相当厚实。动辄几十亿美元美元的收购、并购可不是闹着玩的,TE在2014年 17亿美元收购MEAS,AMS在2019年46亿欧元收购欧司朗、索尼1.55亿收购东芝图像传感器部门,这些大宗收购案例都表明了大企业在数字化时代下,稳住自身的高市场份额。

 

在2020年,来自中国传感器产业的大力发展,势必将对全球传感器企业的市场造成一定的冲击,同时,在物联网传感器大量应用的当下,还没有一家企业能够在某个领域成为霸主。为了稳固自身市场份额,压缩竞争对手的发展空间,更多涉足新形态领域,国际并购、收购案件将会持续增加。

 

 
 
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