初步认识传感器

一、什么是传感器传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的系统”。传感器的发展历程的可大致分为三代：第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，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。第三代传感器是2000年开始逐渐发展的智能型传感器。智能传感器至今科学界尚无规范化的统一定义，简单概括，智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。在当今这个信息化的时代，传感器诸多的应用场景需要更加快速地获得更精准更全面的信息。以物联网为例，传感器位于最关键的感知层，不仅像传统传感器一样作为接收和传递信息的入口，更需要分析、处理、记忆、存储海量数据的这些功能。而智能传感器则可以充分满足这些要求，其具体优势功能包括：（1）自补偿与自诊断功能；（2）信息存储与记忆功能；（3）自学习与自适应功能；（4）数字输出功能二、传感器市场和分类目前主流的传感器以气体传感器、流量传感器、压力传感器、热释电传感器和湿度传感器为主，并覆盖加速度传感器、柔性传感器、MEMS传感器等。目前，部分传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于可穿戴设备传感器、MEMS传感器、生物传感器等新兴智能传感器。全球市场的众多产品中，CMOS图像传感器市占率最高，占据全球近45%的市场份额，其次是指纹传感器、压力传感器、射频识别传感器，三者市占率均为9%。根据中国信通院最新的数据统计，2016年全球智能传感器市场规模达258亿美元（1710亿人民币），预计2019年将达到378.5亿美元，年均符合增长率13.6%。根据GlobalMarketInsights最新的数据统计，2015年，美洲地区占据了全球市场的最大份额，亚太地区（中国、日本、韩国、印度、澳大利亚）位居第二，占领了23%的市场份额。美洲地区预计在2022年前将一直主导智能传感器市场。而亚太地区由于汽车和消费电子领域等下游产业的带动，则成为市场规模增长最快的地区。2015年中国传感器行业市场规模为995亿元，智能传感器已取代传统传感器成为市场主流，由中国信通院的数据显示，2015年智能传感器的市场规模约有106亿美元（约698亿人民币），占国内传感器市场总规模的70%。目前国内企业产值较低，智能传感器市场几乎被国外企业垄断。2015年，美、日、国三国传感器占据全球传感器市场份额分别为29.0%、19.5%和13.0%，合计占比为60%。但是近年来，随着国内企业自主创新能力增强和国家政策的支持，我国传感器进口替代正在加速。14年，我国传感器进口占比约为80%，传感器芯片进口占比约为90%。16年，敏感元件与传感器大约60％依赖进口，核心芯片约80％以上依赖进口，进口依赖程度明显改善。2015年国内企业产值约为14亿美元，预计2019年国内产值将达到37亿美元，复合年均增长率为37%。根据中国信息通信院预测，2019年中国智能传感器市场规模将达到137亿美元，意味着本土化率将从2015年的13%提升到2019年的27%。三、产业上下游根据中国高端芯片联盟和中国信通院发布关于智能传感器的产业地图，产业链具体包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、芯片及解决方案、系统/应用这八个环节，各环节的技术壁垒高。在工艺和技术层面上，智能传感器的设计、制造、封装以及测试这四个关键环节和半导体集成电路行业的对应环节都有许多相似之处，拥有IC经验的企业具有先天优势，纷纷切入传感器领域。据中国半导体行业协会统计，2016年中国集成电路产业销售规模达到4335.5亿元，同比增长20.1%。其中，设计环节市场规模为1644.3亿元；制造环节市场规模为1126.9亿元；封装测试环节市场规模为1564.3亿元。智能传感器的设计、制造、封装和测试环节的市场规模还未有详尽的分环节统计，基于二者的产业相似性，智能传感器设计环节市场空间最大。短期来看，封装环节将成为国内市场空间增长最快的环节。国内的封装技术起步较早，并且MEMS传感器的封装可以参考IC封装技术。因此，国内越来越多的厂商业务向传感器封装环节拓展，毛利率平均在20%左右。长期来看，设计环节有望成为国内市场空间最大，盈利能力最强的环节。但是由于传感器芯片设计的技术壁垒极高，因此国内目前专注于此环节的公司很少。细分领域的大部分市场份额被切入较早的技术型公司占据，例如在国内指纹识别龙头企业汇顶科技全球的市占率达到23%。芯片设计环节盈利能力最强，平均毛利率可达50%左右。产业链特点是：环节多，技术壁垒高。设计：国内企业渗透加速，歌尔股份、高德红外、苏州固锝在细分领域有较强实力。制造：华润上华、中芯国际、上海先进等国内企业硬件条件与国际水平相近，但工艺和经验仍不成熟。封装：国内技术成熟，长电科技是IC封装龙头、晶方科技、美新半导体、华天科技等公司实力强大。测试：上海华岭专注IC测试，航天新锐MEMS晶圆级测试系统已达到国际标准。软件和芯片及解决方案：国内技术水平与国外差距较大。应用：消费电子和汽车电子是最大市场。其他下游智能传感器新兴应用需求：（1）消费电子：指纹传感器市场规模在消费电子领域中增速最快，2017年国内规模将超31亿元，全球规模2022年有望达到47亿美元。（2）汽车电子：智能驾驶ADAS系统带动摄像头和雷达市场增长。预计到2020年，国内摄像头市场规模将达78亿元，毫米波雷达市场规模将达171亿元，激光雷达市场规模将达75亿元。（3）工业电子：智能机器人传感器全球市场规模增长速度快，2021年将超7亿美元。（4）医疗电子：医疗传感器市场空间巨大，2024年全球市场规模增至185亿美元。四、领导企业、创业企业状况尽管国内整体技术水准与国外顶尖技术还存在一定的差距，但是切入细分领域较早的技术型公司的自主研发能力经过多年的积累已经可以与国外媲美，培养稳定的客户群，部分产品甚至实现了出口。中国内陆歌尔声学和香港瑞声科技在2016年全球MEMS传感器公司营收前三十排行榜中分别位列第19名和第25名，两家公司主要覆盖声学传感器及解决方案。歌尔声学在2014年全球营收排名位列第27名，短短两年在国际市场就上升了8名，可见国内龙头企业的技术达到国际前沿水平。智能传感器的重点下游应用领域分别是消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子，其相应的市占率依次递减。消费电子领域的智能传感器市占率最高，2016年已达到68.76%。在这四大重点应用中，智能化的新兴应用从传统产业的基础上不断衍生出来。综合市场规模的大小以及增长速度两方面考虑，我们认为发展较快的新兴应用如指纹识别和智能驾驶将成为智能传感器市场成长的主要动力，初步发展的新兴应用如智能机器人和智能医疗器械将在未来几年为智能传感器提供高弹性增长的市场空间。智能手机引爆指纹识别市场，智能传感器需求扩增在消费电子的细分领域中，指纹传感器市场规模增长速度最快，根据中国信通院的数据，预计2016年-2019年的年均复合增长率达到14.84%。指纹传感器在1988年被西门子发明出来以后一直用于工业和安防领域，直到2012年7月，苹果公司收购了指纹传感器巨头公司Authentec并在2013年发布了带有指纹识别功能的iPhone5s，指纹传感器才正式进入了消费电子领域。从此智能手机引爆了指纹识别市场，目前指纹识别占据60%的生物识别市场。电容式传感器将逐渐淘汰，超声波与光学传感器成为新宠根据工作原理分类，指纹传感器的主要包括光学指纹传感器、电容式指纹传感器、热敏式指纹传感器和超声波指纹传感器。光学指纹传感器的应用历史最久，成本较低但体积较大。目前主导消费者市场的是主动式电容指纹传感器。由于智能手机的占屏比不断提高，留给指纹传感器的位置变得很小，因此有些厂商将电容指纹传感器设计在手机背面。但是考虑到用户体验，将指纹传感器设计在屏幕下方的厂商正在研发基于超声波感测技术和微光学感测技术的传感器。如果这两种传感器的成本可以降低下来，电容指纹传感器将不再是主流。目前利用薄膜晶体管（TFT）的光学感测技术也可以在大型面板上批量生产，进而降低整体的生产成本。智能驾驶打开车载智能传感器新市场汽车走向智能化对传感器提出更高要求，智能传感器是最佳选择由于汽车车体内空间有限，传统的传感器已经很难满足现代汽车的新需求，新一代传感器需要尽可能地微型化、集成化。汽车传感器大多处于非常恶劣的运行环境中，传感器必须要有高稳定、抗环境干扰和自适应、自补偿调整的能力。同时为了保证电子元器件和模块能实现大规模生产，成本也需要降低。新型智能传感器能从技术和成本上两方面满足上述需求。智能传感器在汽车领域的应用已经非常广泛，如汽车动力系统、安全行驶系统、车身系统。无人驾驶浪潮将智能传感器从传统汽车推向高端智能汽车随着无人驾驶的技术越来越成熟，智能传感器不再局限于传统汽车市场，而走向了智能汽车市场。无人驾驶技术中难度最大，工艺最复杂的是环境感知环节。实现环境感知的传感器有摄像头（长距摄像头、环绕摄像头和立体摄像头）和雷达（超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达）。ADAS（高级驾驶辅助系统）是目前无人驾驶领域最领先的传感器系统，通过传感器收集数据，辨识周围环境，来为驾驶者判断可能发生的危险，保证行车安全。据IHSMarkit2017年最新报告，2016年全球ADAS出货量达1.16亿套，市场规模达到26.67亿美元，预计2017年将达到23.4亿美元，同比增长24.4％；到2022年，出货量将达到3.02亿套，大约是全球汽车年产量的3倍之多。2014年中国ADAS市场规模为5.4亿欧元（约40亿人民币），到2021年，这一市场规模达到25亿欧元（约180亿元人民币），CAGR达到24%。全球智能驾驶汽车中的传感器模块市场规模在2015年达到26亿美元，权威机构YoleDevelopment预测2017年市场规模将超过50亿美元，2030年将达到360亿美元，复合年均增长率为19%。从传感器的类型来看，超声波传感器、360度全景摄像头以及前置摄像头将一直是市场主流的传感器，2030年预计市场规模分别达到120亿美元、87亿美元、69亿美元。雷达从2015年开始应用于无人驾驶领域，未来13年内开始“从零到一”的爆发式增长。到2030年雷达市场规模将达到129亿美元，其中远距雷达79亿美元，短距雷达50亿美元。未来能快速渗透雷达系统市场，受益于机遇的企业是拥有高难度技术储备的企业。目前，国内外公司采用两类方案实现无人驾驶：一种是摄像头+毫米波雷达方案（特斯拉公司），另一种是激光雷达方案（谷歌和百度公司）。2015年国内车载摄像头出货量高达1880万个，2011年至2015年的复合年均增长率高达36%。2016年国内乘用车销量为2437.7万辆，按照年均增长率为5%计算，预计2020年乘用车数量达到2963万辆。假设：到2020年，前置摄像头(1颗)渗透率约为40%；环视摄像头(4颗)摄像头渗透率为20%；后视摄像头(1颗)渗透率为50%；内置摄像头(1颗)为5%，单价为150元。估算出2020年车载摄像头市场规模约为77.8亿元。毫米波雷达的市场规模也在快速增长。根据美国商业资讯网BusinessWire最新报告显示，2016年全球毫米波雷达出货量达到3150万个，较2015年同比增长27.5％，预计2021年将达到8400万个，2016-2021年的复合年均增长率为21.7％。主要是因为全球