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自给率不足的尴尬:中国传感器市场一窥

时间:2019-09-19 作者:黄烨锋 阅读:
Yole Developpement 2016年5月报告提到,预计到2021年,各类MEMS传感器产品的市场容量会达到200亿美金,而整个传感器市场预计有上千亿美金的市场规模。

Yole Developpement 2016年5月报告提到,预计到2021年,各类MEMS传感器产品的市场容量会达到200亿美金,而整个传感器市场预计有上千亿美金的市场规模。消费类、汽车电子、工业类、医药电子会贡献最多的市场增长。智慧物流、智能家居、无人机以及各类智能机器人等IoT相关新兴应用领域,都是增长的重要动力。wYuEETC-电子工程专辑

不过中国传感器与物联网产业联盟给的数据则提到,中国传感器市场自给率偏低,虽然消费能力占到了全球大约30%,但中国国产传感器产品只有全球的约13%。中国传感器物联网产业联盟副秘长、国家智能传感器创新中心副总裁朱家麒说:“每年大概全国有120万台的变送器使用量,基本上都是国内生产的,但是芯片全部是进口,也就是说真正的核心技术在海外。”wYuEETC-电子工程专辑

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Sensor China 2019中国(上海)国际传感器与应用技术展上,杭州麦乐克科技股份有限公司董事长吕晶给的数字则显得更不乐观:“中国传感技术是比较落后的,需要全行业的共同努力奋进。2007年的数据,中国中高端传感器99%以上是进口的;到2016年还有96%是进口的。”“中国传感中高端市场的形势也不容乐观,并不比芯片行业好多少。2018年7月3日,国家集成电路创新中心、国家智能传感器创新中心在上海成立,说明国家很重视传感器产业发展,我们对这个行业很有信心。”wYuEETC-电子工程专辑

我们在前不久的Sensor China 2019论坛采访了几家企业,或可大致一窥现如今中国传感器市场的现状。结合上个月月底的WAIC 2019世界人工智能大会“传感驱动智能变革”分论坛上,中国传感器与物联网产业联盟发布《中国MEMS及先进传感器产业发展蓝皮书》,亦可稍稍描摹行业现状和前景(虽然这份白皮书可能更偏向于MEMS传感器领域),朱家麒在会上分享了其中的部分内容。wYuEETC-电子工程专辑

中国传感器产业发展现状

上世纪五十年代传感器开始大规模应用,最早的应用是工业和汽车,以物理量的变化作为传感源;再往后发展不仅依赖物理变量,而靠信号转变来做测量。“2000年以后,传感器有大的发展,我们要感谢乔布斯,智能手机是传感器发展的重要推动力,最早应用就是手机翻转的重力传感器。后来导航、指纹识别、高度计都在大量应用。”“MEMS其实就是微机械结构的一个器件,像光学它并不属于这个范畴,也是我们最近发展比较快的一个领域,和电子、半导体技术结合,小尺寸、低成本、低功耗,MEMS传感器依靠半导体技术推进。”wYuEETC-电子工程专辑

“我们统计过全球传感器类型大概在三万左右”,而MEMS及传感器的主要应用领域可切分成消费电子、汽车、医药电子和工业四部分。wYuEETC-电子工程专辑

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• 消费电子是传感器最大的市场,以智能手机等各类智能设备为代表,国内智能手机行业发展仍然处在一个黄金期,所以足以带动MEMS及传感器产业持续深入——2014年一款手机上的传感器数量大约在12个左右,2021年预计将达到20颗;wYuEETC-电子工程专辑
• 汽车中应用的MEMS传感器超过了50颗(确保安全性的约24颗,引擎管理平均11颗,确保驾驶舒适性的平均16颗),加速计、压力、陀螺仪应用最多,合计占比超过95%;wYuEETC-电子工程专辑
• 生物医药/大健康相关的传感器,超声、红外等用于诊断的传感器是主体,主要用于监测人体物理学、化学、生理学参数,医学图像,在医疗预防、诊断、治疗、康复全过程都需要大量传感器——MEMS传感器的应用让医疗行业实现更高的精度、更高的效率,同时降低成本;wYuEETC-电子工程专辑
• 工业领域已无需赘言,这是个相对成熟的领域,传感技术早就开始应用了,但尤其在工业4.0和IIoT正当兴盛之际,智慧工厂依赖于大量新型传感器——所以这又成为一个重要市场;2016年传感器在工业领域应用规模为350亿美元;中国传感器与物联网产业联盟也提到,在高端工业传感领域,中国90%的产品仍然依赖于进口;而在中国IoT快速发展的背景下,工业领域的传感器会迎来一轮新的发展机遇。wYuEETC-电子工程专辑

国内的“先进”传感器产业地域分布,长三角地区产业规模居首位,是国内MEMS产业研发设计和制造中心。包括无锡国家传感网创新示范区、杭州电子信息产业示范基地、上海物联网产业基地都集中在这一区域。我们在Sensor China大会采访的麦乐克科技,以及晶华微电子在该领域内已经有相当成就的企业,都在杭州。wYuEETC-电子工程专辑

除了长三角地区以外,珠三角、环渤海以及中西部地区也有传感器产业分布。珠三角地区以各类应用端产品带动传感器产业发展,环渤海地区以北京为核心,以研发设计为主导,研究所非常集中——很多企业是从研究所、大学孵化出来的,这也是中国传感器产业发展的一大特点;中西部以往的重工业和一些军工应用相对集中,现阶段则结合各地优势,发展标准化试点应用。wYuEETC-电子工程专辑

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MEMS传感器产业链的主体结构从下至上,包括基础材料、工艺设备、工艺平台、封装测试、优化设计、系统集成,以及终端应用。各层级的参与者如上图所示。中国在整个MEMS和先进传感器的产业布局上,相对比较完整,每一个环节都能够看到国内企业的身影,但起步较晚,发展阶段和规模都仍需时间推进。wYuEETC-电子工程专辑

在科研、设计、制造、工艺设备等方面,中国和海外的差距还是比较大的。其中应用和系统集成是现阶段中国的强项——这个层级的参与者也比较多,具体的应用层级有小米、华为等厂商,不仅是手机,智能家居等门类的产品也是现在的热点。毕竟全球最大的市场就在中国,靠上层级在市场需求上会显得最为迫切。wYuEETC-电子工程专辑

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“目前中国消耗了全球接近50%的传感器,因为大量的智能手机、无人机、家电就在中国制造,但传感器的国产率非常低,只有百分之十几。”wYuEETC-电子工程专辑

国外参与者:“寻求合作,紧跟中国市场需求”

IoT、大数据、人工智能发展的基础,是有大量的数据。“传感是智能之父,数据是智能之母。”这是麦乐克科技董事长吕晶,在接受采访时提到的提到的“业内的”一句名言。在IoT、人工智能、工业4.0、5G等一系列不同维度技术热点的推动下,传感器行业进入一个新的快速发展通道也就变得很好理解。wYuEETC-电子工程专辑

如朱家麒所说,中国有着全球最大的传感器市场,这就足以吸引一大批国外厂商驻足停留,去深入了解中国市场的需求。与此同时,现在这个时间节点恰逢中国政府大力扶持国内半导体和传感器产业的发展,已经在中国深耕多年的国外厂商为了确保市场份额和营收增长,势必需要采取策略或转换思路来应对国际环境对业务造成的影响。wYuEETC-电子工程专辑

实际上,今年的Sensor China展会很能表现这方面的趋势。就国外厂商针对现如今中国市场的态度,我们分别采访了美国的霍尼韦尔与瑞士的SENIS。虽然可能并不能全然反映MEMS,却也是对传感器整体市场的窥探。霍尼韦尔在展会上展示的产品着力工业领域,包括安全与生产力解决方案(Safety and Productivity Solutions)——这也是霍尼韦尔目前成长最快的业务线。wYuEETC-电子工程专辑

这里的安全产品包括针对工作、户外活动等的个人防护设备、防护服、气体检测技术、基于云的通知和紧急消息。比如气体防护避免中毒、爆炸、窒息等危害,而个人防护产品则应对切割、砸伤等危害。典型的像是霍尼韦尔展位上在展示的针对石油石化行业的丙烯腈产品,丙烯腈是比较特殊的气体,也是相对小众的市场——深入到这样的小众市场,也唯有霍尼韦尔这样的参与者才有相应的支持资源了。wYuEETC-电子工程专辑

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霍尼韦尔展位上的环境空气质量传感器wYuEETC-电子工程专辑

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霍尼韦尔的超小尺寸压力传感器wYuEETC-电子工程专辑

“传统的工业安全气体传感器市场,如石油石化、冶金、煤矿等,是我们这块最大的市场,一直保持着平稳增长。我们看好石油石化市场的发展,虽然市场受中美贸易等地缘政治影响比较大,但只要油价能保持在60美元附近波动,市场就能保持稳定增长,增速不会低于中国GDP。”霍尼韦尔传感物联气体传感器大中华区销售总监华晴在接受采访时表示,“中国两位数增长的市场,一定和环保相关,未来3-5年将保持快速增长势头。”wYuEETC-电子工程专辑

“在保持加大投入的同时,霍尼韦尔愿意与众多产业参与者共同将环保市场做大。在中国这个有足够空间预期的市场里,相信所有产业链参与者都会找到各自的增长点。”这里所谓环保市场,霍尼韦尔的主要应用场景是废气排放,比如说挥发性有机物的检测,具体到超低浓度排放、小型锅炉改造,对氮氧化物和硫化物的监测等。“中国一直在努力提升安全、环保方面的规范,要求满足中国标准的传感器。标准制定会参考其他国家,但最终会形成适合中国市场的标准,这是个过程。”这其实是霍尼韦尔表达期望参与市场的某种态度。wYuEETC-电子工程专辑

SENIS是一家从事磁场、磁材料检测与测量的企业,如磁测量的仪表、大型磁场扫描测绘仪。许多产品都被中科院等科研院所、欧洲的离子加速、核磁反应研究机构采用。“但我们在传感器行业真正开始做准备,我们回到半导体行业是在2013年的时候,我们的创始人Prof. Popovic教授将手头的专利做成了新的产品,包括这次Sensor China展会上展示的3D霍尔传感器和角度传感器。”wYuEETC-电子工程专辑

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SENIS展台上的快速角度测量传感器(Fast Magnetic Angel Sensor)演示wYuEETC-电子工程专辑

其3D霍尔传感器“做到了业界最小的测量点,在3D磁场里测量点越小,代表XYZ三个轴表征的矢量越准确。而快速角度测量传感器是目前世界上最快的测量角度传感的芯片,可以做到20万转,是目前世界上最快的。”SENIS研发项目经理Thomas Kaltenbancher博士表示。wYuEETC-电子工程专辑

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SENIS展示的3D霍尔传感器芯片SENM3dxwYuEETC-电子工程专辑

3D霍尔传感器可实现对3D电流,以及物体位置移动测量——如控制遥感、线性位移接近等。而快速角度测量的应用,比如无刷直流电机控制:在做FOC矢量控制时,需要了解精确的转角位置:转子的位置和电流,控制电机转向。“SENIS的测试测量业务进入中国市场大概有7、8年了,现在是传感器、芯片进入中国市场,想在中国寻找一些新的合作。”wYuEETC-电子工程专辑

“从中美贸易摩擦,我们也看到了国家对本地芯片研发力度的扶持。我们希望把欧洲的一些技术带到中国来,扶持中国企业快速成长。”“欧美国家虽然有很强的技术,但要跟着中国的需求走。未来SENIS的战略,我们期望跟中国企业合作,把欧洲的技术在这里落地、产业化。”尤其“欧洲公司在技术上有很强的深厚底蕴,我们的教授今年75岁,仍然在出书、写专利;而中国做产业化很强,双方合作取长补短各取所需。”wYuEETC-电子工程专辑

中国企业:“我们尽量多用自己国产的”

霍尼韦尔在展会上展示了“I”系列传感器产品。这个系列的传感器“带自诊断,它会告诉客户,产品何时需要去标定、何时寿命到了、何时需要更换”。这是现如今智能传感器的某种进化方向——当然霍尼韦尔的这系列产品针对的是工业安全领域。wYuEETC-电子工程专辑

华晴说:“这系列的传感器产品,本身需要针对工业安全领域的不同应用场景做优化,也就是算法优化。比如环境感知,我们知道不同环境下温度、湿度会对产品造成影响,这就需要针对不同产品,采用相应算法写到固件中,进行补偿、优化,达到最佳性能。”“不同客户给予同一款传感器做出来的仪表,性能不同。我们的做法是把这样的know-how写到芯片里面,让产品在客户一侧也有标准输出,帮助客户开发产品。”wYuEETC-电子工程专辑

这可能是现如今工业乃至全领域,传感器智能化的发展难点。杭州麦乐克科技股份有限公司董事长吕晶也在采访中告诉我们:“标定很难,传感器检测时精度越高,受环境影响越大,所以我们需要进行标定,告诉传感器在不同温度、浓度等状态下如何进行补偿,做到精准检测。”wYuEETC-电子工程专辑

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Sensor China 2019展会上的麦乐克展位wYuEETC-电子工程专辑

“麦乐克花了3000多万,用两年时间建立了全套的标定体系。这套标定系统是向德国设备商定制的,可以自动控制,再由我们改造成标定设备:其实具体的标定细节制造商完全不了解,是我们特有的技术。其他厂商可能在常规状态下表现也不错,但不同环境下的差距就非常明显了。”wYuEETC-电子工程专辑

麦乐克科技是“从核心元器件到终端解决方案全覆盖的传感技术公司”。其传感器核心元器件,涵盖了应于在中高端应用场景的产品,比如航天领域——这是吕晶在谈到时特别自豪的部分:“常规工业测温传感器精度是0.1度,我们的红外测温精度是0.01度,是目前领先的技术,用在特殊的航天发动机里面,可以精准控制其监测对象的温度稳定;也可以应用到要求比较高的车载应用中,对电机温度进行精准控制。”“中国中高端传感器很少,德国传感技术专业协会(AMA)评价麦乐克是全球最高端的3家红外探测敏感元件生产厂家之一。”wYuEETC-电子工程专辑

而其终端产品的目标场景是智能家居、智慧生产、智慧园区。河北雄安新区,麦乐克有个与阿里云合作的项目。“雄安政府每个房间都装了麦乐克的智能产品,就像开关一样装在墙上,可以监测温度、湿度、PM2.5、空气质量等,就能控制整个系统,工作环境更舒适。”吕晶所说的是个五合一的红外复合传感器,2015年以传感器模组的方式问世,“入了科技部的技术库”。wYuEETC-电子工程专辑

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麦乐克的烟感传感器终端产品,在外观设计上还得了红点奖wYuEETC-电子工程专辑

“去年年底智能市场需求起来了。尤其是后端市场(终端智能设备),相比我们的前端已经超过1倍以上。麦乐克去年第四季度投的智能传感器工厂已经在今年7月开始批量生产,就在深圳华为基地旁边,6000平米。我们的布局是在杭州做前端芯片,智能单品、模组、终端在深圳生产。”“今年我们刚拿了一个国家重点研发计划,就是以前的‘863计划’。”wYuEETC-电子工程专辑

“我们的人才以自己培养为主,目前传感这行还没有专业的,都是不同专业跨界过来的。说起来真有这个专业也轮不到我们,都进大公司了。但我们有100多项专利,60多个发明专利。设备发明专利全是我们的,跟其他国家、其他人无关。麦乐克的传感器技术已经超过美国公司,NASA还找我们购买产品。我们的设备是我们自己设计,在日本和德国定制的专用设备,市面上买不到,有竞争门槛。”吕晶所说的“NASA”想要“购买”的“产品”,应该是指应用于航天的传感技术。wYuEETC-电子工程专辑

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晶华微展示的仪器仪表芯片解决方案wYuEETC-电子工程专辑

除了麦乐克之外,我们还在Sensor China采访了杭州晶华微电子,这是传感系统另一个层级的参与者。晶华微是专注模拟和数字混合SoC芯片的企业,“外面一个微弱的模拟信号进来,可能只有两三毫伏,里面的放大器将其放大,ADC把它变成18位、20位的数字信号,在芯片中做各种信号处理、校准,最终输出可能经过UR、IC通信,输出也可以集成LCD、LED,我们的产品就是这颗高度集成的芯片。”杭州晶华微电子有限公司总经理兼技术总监罗伟绍介绍说。wYuEETC-电子工程专辑

市面上一些很常见的厨房秤、体重秤、计压秤都能见到晶华微的这种带ADC的混合信号处理SoC。“包括工业上面的一些压力计、温度,都是由前端传感器,传输一个很弱的信号,进入我们的芯片,我们进行模拟和数字处理,再做输出。”“我们现在一个月大概有500-700万片的出货量,在中国秤械方面,我们有差不多一半的量。”wYuEETC-电子工程专辑

“除了设计芯片之外,很多客户我们还帮他们开发方案,为他们设计软件、做电路设计。我们的芯片刚刚做出来的时候,去推广发现难度很大,很多用户的强项在制造,在产品设计方面不够出色,所以以前很多做解决方案的公司来买我们的芯片,他们去给客户做方案。我们觉得我们自己也能提供这样的服务,我们的应用工程师和设计工程师在同一层楼工作,应用工程师对芯片内部也熟,协作更紧密,这是我们的优势。”wYuEETC-电子工程专辑

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4-20mA带Hart智能通信demo板wYuEETC-电子工程专辑

实际在工控领域,晶华微还有个model芯片HART,“在4-20mA模拟通信上,再加一个数字信号。速度不快,但要求安全性和可靠性。我们完全是自主研发,那时候也没有伸手向国家要钱,真的是100%自己掏钱来做的。(Hart芯片)2008年做出来了,到现在我们也卖了差不多上千万片。那会儿全中国就只有我们一家,当时全世界只有三家——我们是第四家。这两年我们出了二代,现在市场份额全球占到1/3左右。”wYuEETC-电子工程专辑

“国内现在的仪表很多都已经国产化了,上天的卫星、火箭很多东西都是咱们自己的东西,汽车也是。但核心芯片都还是进口的,我们中国要尽量用多自己国产的芯片。中国以前做的芯片不行,但一直在改进,包括晶华微和很多其他工作做出来的产品现在真的一点都不差。以前国内这些工控行业,他们很多不想用国产,因为工控利润高,不需要为了几块钱用国产芯片。现在美国总统帮了我们的忙,国内工控领域也不得不开始考虑用国产芯片了,我觉得是好事。”wYuEETC-电子工程专辑

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麦乐克现如今经常在国内举办相关智能传感器的技术论坛,吕晶说:“《2019家庭智能传感器白皮书》是我们发的,我是组长。我们公司还有一个核心元件的行业标准是我们自己牵头做的,让我们的标准上升到国家级的行业标准。我觉得应该为行业做贡献,虽然国内的传感技术现在是落后的,但我们的进步越来越快,国家越来越重视传感器产业发展,我们对这个行业有信心。”wYuEETC-电子工程专辑

在确保整个产业链布局已经开始全面化之后,各层级的参与者通力合作,甚至开始自己制定标准,以及如霍尼韦尔与SENIS所说,帮助中国一起做技术升级和标准制定,中国MEMS及传感器行业的未来可期。wYuEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengwYuEETC-电子工程专辑

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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