中国电子技术标准化研究院-2019版智能传感器型谱体系与发展战略白皮书-2019.9-54页.pdf

I 智能传感器型谱体系与发展战略智能传感器型谱体系与发展战略 白皮书白皮书 （2019 版）指导单位：工业和信息化部电子信息司 主编单位：中国电子技术标准化研究院 II 指导单位：工业和信息化部电子信息司 主编单位：中国电子技术标准化研究院 参编单位：北京中科微知识产权服务有限公司 版权声明版权声明 本白皮书版权属于中国电子技术标准化研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或观点的，请注明：“来源：中国电子技术标准化研究院”。违反上述声明者，本院将追求其相关法律责任。III 前前 言言 当前全球智能传感技术创新势头迅猛，基于新材料、新原理、新工艺、新应用的产品不断涌现。敏感材料、MEMS 芯片、驱动程序和应用软件等智能传感器核心技术的不断进步，促进了智能传感器的快速发展和应用。智能传感器行业具有技术壁垒较高、产业细分环节多而分散等特点，市场机遇主要来自产业链下游新兴应用的强劲拉动。当前，世界主要工业强国均已在智能传感领域谋篇布局，欧洲、美国、日本等国已具有良好的技术基础，呈现高速增长态势。我国智能传感器市场空间广阔，创新能力不断增强，已初步形成涵盖芯片设计、晶圆制造、封装测试、软件与数据处理算法、应用等环节的完整产业链，但不容忽视得面临着产品有效供给不足、技术创新能力不强、产业生态不健全等问题。我国高度重视智能传感器产业发展，工业和信息化部编制了“智能传感器产业三年行动指南（20172019 年）”，为把握新一代信息技术深度调整战略机遇期，提升智能传感器产业核心竞争力奠定了基础。本白皮书受到工业和信息化部领导的高度关注。开展智能传感器型谱体系及发展战略研究，旨在以工程化为目标，以标准化为向导，以系列化成熟产品为主要对象，进一步梳理我国智能传感器发展现状，推进产品研发及产业化，服务重点行业应用，为后续政策制定和决策提供参考和依据。本白皮书围绕消费电子、汽车电子、工业控制、医疗电子等领域，把握国内外智能传感器领域的最新进展和发展态势，在对我国智能传感器技术、应用和产业链深度调研和归纳总结的基础上，编制了智能传感器各类产品型谱体系，探讨我国智能传感器发展面临的挑战和今 IV 后发展方向，提出我国智能传感器发展策略建议，以期为我国智能传感器产业发展和行业管理提供决策参考和依据。本白皮书在工业和信息化部电子信息司的指导下编写完成，编写专家来自智能传感器“产、学、研、用”等各个领域相关企事业单位，并面向产业链上下游进行了广泛的征求意见。但由于编者水平有限，疏漏和不足之处，欢迎读者批评指正，编制组将根据技术发展和行业意见进行持续修订完善。V 目目 录录 引言.1 1.智能传感器技术和产业概况.1 1.1 传感器发展历程概述.1 1.2 智能传感器概念及基本结构.2 1.3 全球智能传感器产业情况.3 1.4 国内智能传感器产业情况.5 2 我国智能传感器产业链现状.7 2.1 研发与芯片设计.7 2.2 晶圆制造.7 2.3 封装测试.8 2.4 软件与芯片解决方案.8 2.5 应用.8 3 我国智能传感器型谱推优产品调研情况.8 3.1 调研情况.8 3.2 智能传感器在新兴应用领域的重要地位.13 3.2.1 可穿戴设备.13 3.2.2 自动驾驶技术.14 4 智能传感器型谱体系.17 4.1 智能传感器型谱体系构建原则.17 4.2 智能传感器型谱体系.18 4.2.1 压力传感器.21 4.2.2 惯性传感器.24 VI 4.2.3 磁传感器.27 4.2.4 麦克风.29 4.2.5 光学传感器.31 4.2.6 温度传感器.34 4.2.7 指纹传感器.35 4.2.8 气体和颗粒物传感器.37 5 我国智能传感器产业发展战略研究.40 5.1 差距分析.40 5.2 重点发展方向建议.42 5.3 措施建议.46 1 引言引言 传感器技术与通信技术、计算机技术并称现代信息产业的三大支柱，没有传感器就没有现代科学技术，各国将传感器提到了较高的位置。智能传感器是具备自动状态（物理量、化学量及生物量）感知、信息分析处理和实时通信交换的传感器，已然成为我国实现制造强国和网络强国目标战略必争的关键领域。智能传感器是设备、装备和系统感知外界环境信息的主要来源，是智能制造、机器人、工业互联网、车联网和无人驾驶、智慧城市发展的重要支撑，在工业电子、消费电子、汽车电子和医疗电子方面有着广泛的应用。我国智能传感器市场空间广阔，已具备加快发展的基础，但仍面临着关键技术缺失、技术创新能力不强、国际竞争力不足、产业生态不健全等问题，推动智能传感器发展已刻不容缓。1.1.智能传感器技术和产业概况智能传感器技术和产业概况 1.1.1 1 传感器发展历程传感器发展历程概述概述 传感器的发展历程可大致分为三代：第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化或由它们引起某种场的变化来反应被测量的大小和变化（如利用结构的位移或力的作用产生电阻、电容或电感值的变化）。第二代是上世纪 70 年代发展起来的固体传感器，它利用某些材料自身的物理特性在被测量的作用下发生变化，从而将被测量转化为电信号或其他信号输出（如用半导体、电介质、磁性材料等固体元件制作的传感器）。第三代是 2000 年开始传感技术和产品的发展朝着具有感、知、联一体化功能的智能感知系统方向发展，传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等有机结合，通过高度敏感的传感器实 2 现多功能检测，通过边缘计算实现在线数据处理，基于无线网络实现感知测量系统的数据汇聚。一般智能传感器采用半固态或全固态材料，结构微型化、集成化，系统向多功能、分布式、智能化、无线网络化方向发展。传感器技术发展历程如图 1 所示。图 1 传感器技术发展历程 1 1.2.2 智能传感器概念及基本结构智能传感器概念及基本结构 智能传感器的概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来，它是指具有信息采集、信息 处理、信息交换、信息存储等功能的多元件集成电路，是集传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。智能传感器基本结构如图 2 所示，一般包含传感单元、计算单元和接口单元。传感器单元负责信号采集、计算单元根据设定对输入信号进行处理，再通过网络接口与其他装置进行通信。智能传感器的实现可以采用模块式（将传感器、信号调理电路和带总线接口的微处理器组合成一个整体）、集成式（采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术将敏感元件、信号调理电路、接口电路和微处理器等集成在同一块芯片上）或混合式（将传感器各环节以不同的组合方式集成1950-1969 结构型传感器1967年奇亚斯申请到边缘约束的硅膜片的专利1970-1999 固体传感器逐渐发展利用热点效应、霍尔效应、光敏效应等制成热电偶、霍尔以及光敏传感器2000至今 智能传感器出现并快速发展随着与CMOS技术兼容的MEMS技术不断成熟，集成电路工艺完善，传感器实现微型化、集成化、智能化 3 在数块芯片上并封装在一个外壳中）等结构。图 2 智能传感器基本结构 智能传感器技术发展的共性需求集中在小型化、网络化、数字化、低功耗、高灵敏度和低成本，传感材料、MEMS 芯片、驱动程序和应用软件是智能传感器的核心技术，特别是 MEMS 芯片由于具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高并能与微处理器集成等特点，已成为智能传感器的重要载体。1.31.3 全球智能传感器产业情况全球智能传感器产业情况 当前，智能传感器市场约占全部传感器市场的四分之一，产业发展迅猛。欧洲、美国、日本等国在智能传感器领域具有良好的技术基础，产业上下游配套成熟，几乎垄断了“高、精、尖”智能传感器市场。根据中国信通院数据统计，2016 年全球智能传感器市场规模达258亿美元，预计2019年将达到378.5亿美元，年均复合增长率 13.6%。预计 20162019 年全球四大应用领域的智能传感器市场规模如图 3所示，消费电子领域市场规模最大，占据总量的 2/3 以上，其次为汽车电子领域。表 1 给出了各类智能传感器市场对比情况。4 图 3 20162019 年全球智能传感器市场规模 表 1 各类智能传感器市场对比 智能传感器产智能传感器产品类型品类型 细分细分 类型类型 20172017 年年 预估市场预估市场（$,B,B）20222022 年年 预估市场预估市场 （$,B,B）年复合年复合 增长率增长率 （%）发展发展 评价评价 压力传感器 MEMS 压力传感器 1.6 1.93 3.8 惯性传感器 高端惯性传感器 3.1 3.9 5 磁传感器 磁传感器 1.75 2.5 7 声学传感器 MEMS 麦克风 1.11 1.9 11 光学传感器 CMOS 图像传感器 13.9 21.78 9.4 气体传感器 气体传感器 0.76 1 5.7 注：发展前景极好，发展前景很好，发展前景乐观。根据 Global Market Insights 数据统计，2015 年美洲地区占据了全球智能传感器市场的最大份额，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。全球智能传感技术创新进程迅速，基于新材料、新原理、新工艺、新应用的产品不断涌现，部分产品已大量应用，如指纹传感器、心率177392089924193282183974442245754792144915551677181054361866871805000100001500020000250003000035000400002016201720182019消费电子汽车电子工业电子医疗电子 5 传感器、虹膜传感器等。集成电路、MEMS 芯片以及纳米材料科技的进步，促进了智能传感器的快速发展，也促进了智能传感器的快速应用。如低成本、小微型化节点的纳米传感器在构建各类物联网的进程中拥有可观的发展前景和巨大的应用潜力，产品可以大量布撒，形成无线纳米传感器网络，使纳米传感器的探测能力大大扩展，为气候监测与环境保护等领域带来革命性的变化，有望成为推动世界范围内新一轮科技革命、产业革命和军事革命的“颠覆性”技术。1.41.4 国内智能传感器产业情况国内智能传感器产业情况 智能传感器行业具有技术壁垒较高、产业细分环节多而分散等特点，目前国内市场机遇主要来自下游新兴应用的强劲拉动。得益于国内应用需求的快速发展，我国已形成涵盖芯片设计、晶圆制造、封装测试、软件与数据处理算法、应用等环节的初步的智能传感器产业链，但目前存在产业档次偏低、企业规模较小、技术创新基础较弱等问题。如部分企业引进国外元件进行加工，同质化较为严重；部分企业生产装备较为落后、工艺不稳定，导致产品指标分散、稳定性较差。总体来看，目前我国智能传感器技术和产品滞后于国外及产业需求，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后，另一方面表现在传感器在智能化和网络化方面的落后。由于没有形成足够的规模化应用，导致国内多数传感器不仅技术水平较低，而且价格高，在市场上竞争力较弱。目前我国智能传感器产品主要以压力传感器、硅麦克风、加速度计等成熟产品为主，主要面向中低端市场，智能制造涉及的关键产品如智能光电传感器、光纤传感器等国产化率低于 20%。同时由于晶圆制造对工艺及设备要求极高，投入资金巨大，国内绝大部分厂商为无晶圆厂（Fabless）。6 过去几年，相关部门也在不断加大对传感器和智能传感器产业发展的支持。在 2012 年工信部颁布的物联网“十二五”规划重点提到了发展微型和智能传感器、无线传感器网络的相关工作，而 2015年“中国制造 2025”战略也再次提及，为传感器产业发展指明了方向；2016 年 7 月，国家科技部“十三五”国家科技创新规划出台，强调新型传感器的研发创新。工业和信息化部牵头实施的工业强基专项中，对部分智能传感器如航空传感器、自主三代核电技术关键传感器及仪表组件、宽域氧传感器、光电监测传感器、智能微水传感器、高性能压力传感器、车用传感器（如智能活塞压力计、车用智能型氮氧传感器、基于 MEMS 技术的进气压力传感器和刹车压力传感器）、农业传感器（如温湿度传感器）、医疗传感器（如超声诊断单晶探头、2000 阵元以上面阵探头、微型高频超声探头等）以及基于智能传感器应用的 CT 探测器、PET 探测器等已经开展研制或已经在布局，并启动了传感器“一条龙”应用计划。工业和信息化部还编制印刷了“智能传感器产业三年行动指南（20172019 年）”。国家“核高基”重大专项中，作为视觉传感器的高精度探测器件也取得了重大突破。2018 年 7 月 3 日，国家智能传感器创新中心正式在上海揭牌。9 月 6日，河南郑州市政府办公厅发布 郑州市智能传感器产业培育专案，致力于将郑州打造成中国(郑州)智能传感谷。此外，与产业发展的同步，智能传感器标准化工作也在同步推进，目前已发布 智能传感器 第 1 部分：总则、智能传感器 第 3 部分：术语等智能传感器系列基础标准、物联网总体技术 智能传感器可靠性设计方法与评审等可靠性设计方法标准、以及多项智能记录仪表、智能流量仪表等相关行业标准。7 2 2 我国智能传感器产业链我国智能传感器产业链现状现状 智能传感器整体行业特点是技术壁垒较高，细分环节多而分散，目前市场机遇主要来自下游新兴应用的强劲拉动作用。产业链主要包括芯片设计、晶圆制造、封装测试、软件与芯片解决方案、应用几个技术环节，如图 4 所示。图 4 智能传感器产业链构成 2 2.1.1 研发与芯片设计研发与芯片设计 传感器的设计技术涉及多种学科、多种理论、多种材料、多种工艺及现场使用条件；设计软件价格昂贵、设计过程复杂、考虑因子众多，国内尚无一套具有自主知识产权的真正好用的传感器设计软件。设计人员不仅需要了解通用设计程序和方法，还需要熟悉器件制备工艺，了解器件现场使用条件。由于设计环节技术壁垒极高，国内具有自主芯片设计能力的企业不多，据估测智能传感器芯片的国产化率不足 10%。2 2.2.2 晶圆制造晶圆制造 传感器制造技术分为薄膜技术和 MEMS 技术。整个传感器产业链上最为核心的当属晶圆制造环节，包括材料体系、工艺、设备和厂房等的支撑。由于晶圆制造对工艺及设备要求非常高，投入资金巨大，国内绝大部分厂商以无晶圆厂（fabless）模式居多。大陆仅少数几家具备晶圆生产线的公司（华润上华、中芯国际、上海先进半导体等），尽管硬件条件与国际水平相近，但是工艺技术和经验无法达到国外工厂规模生产的标准。因此大多数本土设计公司更愿意同 TSMC（台积芯片设计晶圆制造封装测试软件与芯片解决方案应用 8 电）、Silex Microsystems 等海外成熟的代工厂合作。这也是国内传感器行业难以实现完全的 IDM 模式的根本原因。2 2.3.3 封装测试封装测试 国内企业在智能传感器封测环节渗透率较高，越来越多的厂商进军封装行业。封装结构和封装材料会影响传感器的迟滞、时间常数、灵敏度、寿命等性能，从制造成本看，传感器的封装成本通常为总成本的 30%70%。国内传感器封装技术标准化程度较低，没有统一的接口标准，产品外形千差万别，不利于用户选用和产品互换。MEMS 测试技术经过 20 年不断发展，国内已有达到国际标准的测试工厂，但晶圆级测试系统仍然存在准确度和一致性检验的问题，验证手段与国际先进水平尚有差距。2 2.4.4 软件与芯片解决方案软件与芯片解决方案 本土企业在传感器配套的软件环节中渗透率较低，被欧美如博世、应美盛等自带软件算法的 IDM 企业垄断，技术与国际水准仍有差距。但是在传感器芯片及解决方案环节中，中小规模技术型企业在新兴应用场景中渗透加速。2 2.5.5 应用应用 在智能传感器产业链中，国内下游应用广泛，市场需求拉动作用大。但目前国内智能传感器厂商多为新兴的 Fabless 初创公司，技术上以仿制跟随为主，自身技术和产品性能还难以获得手机、汽车等大型应用商的信任，产品进入中高端行列依然存在一定困难。智能传感器产业链各环节代表机构及公司见附录 A。3 3 我国智能传感器型谱我国智能传感器型谱推优产品推优产品调研调研情况情况 3 3.1.1 调研情况调研情况 为梳理我国传感器发展现状，推进产品研发及产业化，2018 年工 9 信部实施传感器型谱编制工作，面向各地传感器企业征集产品信息。经过意向申报和数据调研，共收集 240 余家单位提交的 1100 余项产品，基本涵盖了全部传感器种类，既包括压力传感器、惯性传感器、磁传感器、图像传感器、位移传感器、温度传感器、气体传感器、麦克风等用量大、应用面广的通用型传感器，也包括部分用于煤炭、农业、气象等领域的专用类型传感器。按照被测量为依据分类统计申报产品，各类传感器分布如图 5 所示：图 5 不同被测量传感器产品分布情况 选取主流申报产品（应用范围较广的、需求量较大的、智能化需求较高的、申报企业较多的）具体分析其覆盖类型、型号数量、国内应用情况和生产厂商信息，统计得到表 2：49%8%9%8%1%1%3%1%13%3%4%产品数量力学量传感器热学量传感器电学量传感器光学量传感器磁学量传感器声学量传感器气体传感器湿度传感器专用领域传感器 10 表 2 我国传感器型谱推优产品申报情况统计 序序号号 产品产品种类种类 型号型号/系列数系列数量量 产品涉及应用领域产品涉及应用领域 产品申报单位产品申报单位 1 压力传感器 130 以工业领域为主，包括石油、化工、电力、内燃机、工业过程控制、水务、煤矿、消防、燃气等；汽车、航空航天、军工领域次之，消费电子及医疗电子领域最少 西安中星测控、湖南启泰、沈阳仪表院、中电 49 所、北京必创科技、江苏奥力威、合肥皖科、西安森瑟斯、森萨塔（常州）、辽宁罕王、山东盛品、中科院地质与地球物理所、歌尔股份、航天长征火箭、河北美泰、浙江沃得尔、宁波柯力、宁波中车时代、兵器 214 所、中电 38 所、芜湖致通、山西科泰航天、开封仪表、汉威科技、贵州振华红云、东风汽车电子、湖北华辰凯龙、湖北泰和、智恒（厦门）、青岛智腾、湖南美程陶瓷、湖南挚新、慧石（上海）、上海矽睿、上海保隆、中电 48 所、重庆梅安森、陕西华经、福建上润、福鼎中联、莆田衡力、泉州西人马、北京国瑞智新、安徽恒远、中科院微电子所、北京昆仑海岸、重庆德尔森、中科银河芯、上海洛丁森、深圳安培龙、2 加速度传感器 74 以工业领域为主，包括石油、轨道交通、风电、水利、电力、工业机器人、测量测绘等；航空航天、船舶、兵器等高端应用次之；少量汽车电子领域（辅助驾驶）和消费电子领域（无人机）沈阳仪表院、武汉静磁、中星测控、航天长征火箭、河北美泰、杭州士兰微、北方芯动联科、兵器 214 所、长春荣德、山西科泰、北京耐威、北京拓盛、贵州振华红云、武汉理工光科、青岛智腾、湖南天羿、衡阳镭目、上海矽睿、青岛航天、广州精信、安徽容知、长春荣德、宁波希磁 3 陀螺仪 25 主要应用于平台稳定、导航、无人机、飞行控制、辅助驾驶等领域。航天长征火箭、河北美泰、星网宇达、兵器214 所、北京晨晶、北京耐威、中船 710 所、芯动联科、湖南天羿 4 位移/位置传感器 114 以汽车和工业领域为主，主要包括车辆曲轴位置、凸轮轴位置检测，以及石油、煤炭、工程机械、水务、化工等领域的液位、结构、物位检测。航空航天、船舶、武器装备领域涉及较少，消费电子（智能家居等）、医疗电子更少。森萨塔、济南开思、航天长征火箭、长春禹衡光学、浙江沃得尔、北仑机械、长春荣德光学、宜昌微特电子、博立信科技、东风汽车、江苏多维、衡阳镭目、慧石（上海）、陕西宏星、西安旭彤、福建上润、福鼎市中联、西人马、福建思特、上海思博、广州精信、电通纬创、深圳信为、深圳天工、吉林隆华、安徽天康、昆山双桥、西安中星测控、合肥皖科、西安森瑟斯、广东奥迪威、山东东润、中电 38 所、三正集团、阳光三极、开封仪表、智恒微电子、青岛贵和、青岛智腾、重庆梅安森、福建上润、福州盛博、精波仪表、余姚舜宇 11 序序号号 产品产品种类种类 型号型号/系列数系列数量量 产品涉及应用领域产品涉及应用领域 产品申报单位产品申报单位 5 速度传感器 64 汽车电子领域较多，主要为转速传感器等，工业电子领域液体气体流量流速传感器次之，少量军工、航空航天、航海、医疗电子等应用 广东奥迪威、沈阳仪表院、中电 49 所、西安中星测控、中环天仪、森萨塔、河北美泰、浙江沃得尔、宁波中车、宁波柯力、洛阳泰斯特、中电 38 所、三正集团、黄山南科、长春荣德、阳光三极、微特电子、汉威科技、东风汽车、四方光电、慧石测控、上海矽睿、重庆声光电、中煤重庆研究院、重庆梅安森、泉州西人马、精波仪表、广州奥松、合肥科迈捷、安徽天康 6 磁传感器 32 以工业过程控制和状态监测为主，包括石油天然气、仪器仪表、地质勘探、工业流量计等，少量消费电子应用（移动终端等），汽车电子和医疗电子基本空白 江苏多维、上海矽睿、杭州士兰微、上海兰宝、中电 49 所、北京拓盛、开封仪表、中船 710 所、青岛智腾、广州精信、广东奥迪威、深圳友讯达 7 温度传感器 85 应用领域非常广泛，工业领域（石油、电力、煤炭、环境、新能源、轨道交通等）、汽车电子、家用电器、智能家居、航空航天等均有较多应用，医疗电子涉及较少 宁波中车、三正集团、中电 8 所、安徽恒泰、威海双丰、山西润玖、阳光三极、七芯中创、开封仪表、博立信、振华云科、东风汽车、湖北泰和、孝感华工高理、湖北华威、开特电子、武汉理工光科、中船 710 所、中原电子、厦门大洋通信、青岛智腾、慧石（上海）、中电 48 所、西安博瑞集信、重庆梅安森、福建上润、福鼎中联、泉州西人马、福建思特、上海岗崎、北京国瑞、昆仑海岸、青岛航天、深圳国讯通、中科银河芯、深圳友讯达、南京沃天、淮南万泰、沈阳仪表院、中电 49 所、北京必创、宝应电器厂、威海北洋光电、中环天仪、广东奥迪威、森萨塔、山东盛品、烟台智慧云谷、中科院半导体所、深圳美思、航天长征火箭、浙江沃得尔 8 电流传感器 75 以电力行业应用为主，少量汽车、移动智能终端应用 福建创四方、山东元星、浙江沃得尔、宁波中车、中船 710 所、江苏多维、上海兴工、陕西华经、中科院微电子所、博立信科技 9 可见光传感器 36 以消费电子领域为主，包括移动终端、可穿戴设备、家居照明等光线感知和成像，但高端 CMOS 图像传感器较少，少量工业电子（智能制造等）和汽车电子（智能驾驶等）领域。长光辰芯、北京思比科、欧菲影像、南阳森霸、孝感华工高理、上海矽睿、深圳奥比中、纵目科技、博立信科技 12 序序号号 产品产品种类种类 型号型号/系列数系列数量量 产品涉及应用领域产品涉及应用领域 产品申报单位产品申报单位 10 红外传感器 49 主要为安防监控、工业检测、智能家居、移动智能终端、无人机等应用，少量汽车电子、武器装备、航空航天、舰船应用 杭州大立、海康微影、武汉高德、上海巨哥、南阳森霸、深圳美思、广州飒特、北京拓盛、汉威科技、智恒微电子、福建思特、广州奥松、广州科易 11 麦克风 6 主要为移动智能终端、智能家居等消费电子领域 歌尔股份、瑞声声学、河南芯睿、智慧云谷 12 指纹传感器 8 主要为移动智能终端、智能家居、安防、门锁等消费电子领域 上海箩箕、集创北方、京东方传感 13 气体传感器 116 以工业领域和消费电子应用居多，工业应用包括环境监测、工业现场气体监测等，涉及煤炭矿山、石化、仓储、交通等，消费电子领域包括新风系统、智慧城市、家用气体监测等。少量汽车、航空航天、武器装备应用。智慧云谷、深圳美思、航天长征火箭、三正集团、中电 8 所、阳光三极、博立信、光力科技、汉威科技、四方光电、湖北丹瑞、中船 710 所、厦门大洋、中电 48 所、中煤重庆研究院、重庆梅安森、北京昆仑海岸、广州奥松、上海禾赛、深圳安培龙 14 湿度传感器 24 应用多为温湿度综合传感器，涉及工业、农业、气象、海洋、汽车电子、计量、智能家居等多个领域。中电 49 所、中环天仪、山东盛品、合肥乐然、双丰韩柏、湖北泰和、孝感华工高理、厦门大洋、陕西华经、福建思特、北京国瑞、福建龙夏、北京昆仑海岸、广州奥松、中科银河芯 虽然本次调研中，进行产品申报的厂商并未覆盖我国全部传感器厂商，但已包括大部分传感器主流厂商，申报的产品种类也基本全面，通过对申报数据的深入研究，体现出了我国传感器行业的现状与痛点：从产品的类型来看，我国传感器企业研发生产的传感器以传统型居多，明确标注具备智能化功能的产品较少。产品主要占据中低端市场，部分技术门槛较高但用量较大的产品申报企业较少，如 CMOS 图像传感器仅 3 家企业申报。同时，申报产品的传感器厂家大多处于封测、模组等环节，具备芯片设计生产能力的厂家较少。从产品的应用领域来看，工业用传感器已基本覆盖全面，生产能 13 力较为成熟，国产器件用量较大；汽车电子与消费电子领域采用国产器件相对较少，以磁传感器为例，全球范围内磁传感器最大的应用市场是汽车电子，占全部应用的 50%以上，而我国厂商的磁传感器在汽车领域的布局基本空白，主要应用于工业过程控制和状态监测。而医疗电子领域，申报的产品更是寥寥无几，目前仍高度依赖进口。此外，我国厂商在智能驾驶、可穿戴设备、智能家居、工业机器人等新兴应用领域均有产品涉及，可以看出虽然我国传感器行业在技术先进性和市场占有率方面还存在一定差距，但已紧跟市场发展趋势开展积极布局。3 3.2.2 智能传感器在新兴应用领域的重要地位智能传感器在新兴应用领域的重要地位 3 3.2.1.2.1 可穿戴设备可穿戴设备 从可穿戴设备的功能需求、用户行为、重点企业技术布局、政策导向等围度看，传感器已成为可穿戴行业发展的限制因素。智能传感器的高度集成和多元化测量，使可穿戴设备能集成更多的监测功能，柔性可穿戴传感器还可提高可穿戴设备的易佩戴性，而传感器功耗的降低，可以进一步改善可穿戴设备的续航能力。智能传感器作为可穿戴设备的核心器件，根据被测量的不同被广泛用在可穿戴设备的多个领域。主要传感器类型及应用见表 3：表 3 可穿戴设备用智能传感器类型及应用场景 传感器类型传感器类型 传感器传感器 应用设备应用设备 主要功能主要功能 运动型传感器 陀螺仪、加速度计、压力传感器、磁传感器等 手环、腕表等设备 运动监测、导航、人机交互等 环境传感器 温湿度传感器、环境光传感器、气体传感器、颗粒物传感器、ph 传感器、气压传感器、麦克风、红外传感器等 手环、医疗等相关设备 环境监测、天气预报、健康提醒等 14 生物型传感器 血糖传感器、血压传感器、心电传感器、体温传感器、脑电波传感器、肌电传感器等 健康医疗相关设备 健康和医疗监控 传感器的质量、体积、功耗、可靠性、稳定性等对可穿戴设备的用户体验、穿戴舒适度、功耗等有十分重要的影响，其技术水平也成为制约可穿戴设备发展的瓶颈，主要体现在：1)准确性与功能性：部分设备记录数据的准确性不足、实时监测功能不够完善，且部分产品采集数据能力较为单一；2)用户体验：刚性传感器与柔软的人体皮肤和内部器官的机械属性不匹配，受传感器尺寸的限制，相关设备体积相对较大，用户体验不佳；3)数据采集：目前可采集的数据局限在运动、心率和血压等方面，核心数据如血糖、血脂等传感器无法在无损的情况下进行测量。4)续航能力：由于设备自身电池容量有限，传感器数据采集和传输功耗大，导致设备续航时间较短。可穿戴设备的发展对智能传感器的需求越来越高，便携式、可移动式及远程化的应用对设备端的智能传感器的信号采集和芯片融合提出了更高的要求，尤其在性能、体积、功耗及方案的完整性方面都与传统传感器有很大不同，整体要求更为苛刻。目前市场上以手表、手环为代表的可穿戴设备所使用的传感器，如运动监测、环境监测、健康管理等已成为主流，并将不断发展完善，新的挑战也将给可穿戴设备用智能传感器带来巨大的市场机会。3 3.2.2.2.2 自动自动驾驶驾驶技术技术 2017 年全球自动驾驶汽车的产量为数百台，根据 Yole 预计 2032 15 年全球自动驾驶汽车的产量将达到 2310 万台，未来 15 年市场复合年增长率（CAGR）高达 58%。自动驾驶汽车较传统汽车将配备更多高端传感器，主要包括激光雷达、雷达、摄像头系统、惯性测量单元和全球导航卫星系统等。预计 2022 年激光雷达市场营收将达到 16 亿美元，雷达市场营收将达到 4400 万美元，摄像头市场营收将达到 6 亿美元，惯性测量单元市场营收将达到 9 亿美元，全球导航卫星系统市场营收将达到 1 亿美元。更长远地看，预计 2032 年传感器硬件的总体营收将达到 770 亿美元。自动驾驶汽车所需主要传感器及供应商如图 6 所示。图 6 自动驾驶汽车所需主要传感器及供应商1 目前行业内公认的实现完全自动驾驶技术所需的 3 大类关键传感器为：摄像头（图像传感器）、激光雷达、雷达。1)摄像头 车载摄像头是实现众多预警、识别类 ADAS 功能的基础。视觉影像处理系统是 ADAS 最基础功能，而摄像头又是视觉影像处理系统的基础，车道偏离预警（LDW）、前向碰撞预警（FCW）、交通标志识别（TSR）、车道保持辅助（LKA）、行人碰撞预警（PCW）、全景泊车（SVP）、驾驶 16 员疲劳预警等众多功能都可借助摄像头实现，有的功能甚至只能通过摄像头实现。摄像头较其他车载雷达等其他传感器成本更低，根据安装部位的不同可分为前视、侧视、后视和内置四个部分，单车需配备至少 5 个摄像头。摄像头产业链主要包括镜头组、CMOS 图像传感器、DSP、模组封装等环节，随着车载摄像头市场的兴起，手机摄像头产业链各个环节的产能将向车载摄像头产业转移，CMOS 图像传感器产业将继续保持高速增长。2)雷达 汽车雷达可分为超声波雷达、毫米波雷达等，主要用于测距、测速等功能。超声波雷达成本较低，探测距离近，精度高，且不受光线条件的影响，常用于自动泊车系统。近些年，随着毫米波雷达技术水平的提升和成本的下降，毫米波雷达开始应用于汽车领域，其系统主要包括天线、收发模块、信号处理模块，目前关键技术主要由国外公司掌控。3)激光雷达 相比普通雷达，激光雷达可提供高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像，具有分辨率高、精度高、抗有源干扰能力强的特点，是无人驾驶的最佳技术路线。激光雷达可以分为一维激光雷达、二维激光雷达、三维激光扫描仪、三维激光雷达等。其中一维激光雷达主要用于测距测速等，二维激光雷达主要用于轮廓测量、物体识别、区域监控等，三维激光雷达可以实现实时三维空间建模。车载三维激光雷达一般安装在车顶，可以高速旋转，以获得周围空间的点云数据，从而实时绘制出车辆周边的三维空间地图；同时，激光雷达还可以测量出周边其他车辆在三个方向上的距离、速度、加 17 速度、角速度等信息，再结合 GPS 地图计算出车辆的位置，这些庞大丰富的数据信息传输给 ECU 分析处理后，供车辆快速做出判断。4 4 智能传感器型谱体系智能传感器型谱体系 4 4.1.1 智能传感器型谱体系构建原则智能传感器型谱体系构建原则 传感器是多学科领域交织形成的产物，涉及物理、化学、生物、电子、机械、材料等多个领域，这使传感器本身具备了可选工艺多、功能多样化、定制性强、小批量、多批次等特点。传感器的分类方式很多，可按被测量、工作原理、输出信号方式（数字传感器、模拟传感器和开关传感器）、制造工艺（集成、薄膜、厚膜、陶瓷）、构成（基本型、组合型、应用型）、作用形式（主动型、被动型）等方式分类。GB7665-2005传感器通用术语中，以“被测量+工作原理”作为传感器主要分类依据，列举了三大类（物理量、化学量和生物量）共 107 个被测量，包括力学、热学、光学、磁学、电学、声学、气体、湿度、离子、生化、生理等。这 107 个被测量又可根据不同的工作原理来实现，如电阻、电容、霍尔、PN 结压阻、光电等。工作原理又可根据材料或结构细分，如硅、蓝宝石都具有压阻效应，是压力传感器的常用材料。不同工作原理由不同的材料或结构实现，在性能、环境适应性和可靠性等方面有很大的差异，这种差异决定了产品的不同应用领域。依据“被测量+工作原理”这种分类方法可以简单直观的覆盖绝大多数传感器类型。智能传感器与传统传感器相比增加了信息处理与传输等功能，是传感器集成化与微处理器相结合的产物，其“感知”功能实现的基础仍然是敏感单元（即传感器）部分。智能传感器体系的构建继续采用以“被测量+工作原理”为分类依据较为直观和清晰，同时考虑到传 18 感器是典型的应用为向导的产品，智能传感器的市场机遇主要来自下游应用的强劲拉动，为更直观得体现智能传感器的行业现状与发展需求，在编制智能传感器型谱体系时，以“被测量+工作原理+应用领域”为基本分类依据，围绕智能传感器市场应用规模较大的消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子四个领域展开体系架构，并补充各类产品的技术特点、国内外代表企业、市场需求等信息。力图通过智能传感器产品型谱体系的构建，发掘出智能传感器产品不同类别的技术难易程度、市场需求量大小、重要性等关键特点，为全面规划产品系列化发展、支持核心关键技术重点突破提供依据。4 4.2.2 智能传感器型谱体系智能传感器型谱体系 智能传感器型谱体系总体架构参考 GB7665-2005传感器通用术语中分类原则，并结合智能传感器应用特点进行构建，总体系框架如图 7 所示。第一层级包括物理量智能传感器、化学量智能传感器、生物量智能传感器三大类。第二层级继续以“被测量”为分类依据给出三大类传感器中典型的智能传感器产品。第三层级按照“工作原理+应用领域”的分类依据具体展开，由于第三层级的体系图篇幅较大，在本白皮书附件中给出各类产品的体系框图。19 智能传感器型谱体系化学量智能传感器生物量智能传感器气体传感器物理量智能传感器压力传感器麦克风惯性传感器（加速度计、陀螺仪）磁传感器光学传感器（可见光、红外）指纹传感器指纹传感器湿度传感器 图 7 智能传感器型谱体系总框架 1.物理量智能传感器 物理量传感器是指能感受规定的物理量并转换成可用输出信号的传感器，被测物理量可简单归纳为力、热、声、光、电、磁六大类，对应传感器为力学量传感器、热学量传感器、声学量传感器、光学量传感器、电学量传感器、磁学量传感器。每一大类传感器中又包括多个种类的被测量，如力学量传感器包括压力传感器、惯性传感器、位移传感器、位置传感器、流量传感器、速度传感器、尺度传感器、密度传感器等，热学量传感器包括温度传感器、热流传感器，光学量传感器包括可见光传感器、红外传感器、紫外传感器、射线传感器等，声学量传感器包括空气声传感器（如麦克风）、水声传感器（如水听器）；电学量传感器包括电压传感器、电流传感器、电场强度传感器等。20 在智能传感器领域，目前已有智能化产品，并在消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子等领域使用广泛的物理量传感器主要包括压力传感器、惯性传感器、磁传感器、麦克风、光学传感器、温度传感器，分别在 4.2.1、4.2.2、4.2.3、4.2.4、4.2.5、4.2.6 中详细阐述。同时，根据智能传感器应用需求，在物理量智能传感器中增加指纹传感器，在 4.2.7 中详细阐述。2化学量智能传感器 化学量传感器是指能够感受规定化学量并转换成可用输出信号的传感器，主要包括气体传感器、湿度传感器、离子传感器等。在智能传感器领域应用广泛的主要为气体传感器，近年来，随着互联网与物联网的高速发展，气体传感器在智能家居、可穿戴设备、智能移动终端、汽车电子等领域的应用突飞猛进，大幅扩展了应用空间，同时，近年来随着空气质量的下降和环境的污染，空气质量监测与控制成为人们关注的热点，很多气体传感器制造商也开始大量设计生产颗粒物传感器，气体和颗粒物传感器在 4.2.8 中详细阐述。湿度传感器的湿敏元件分为电阻式和电容式两种，在实际应用中多与温度传感器组合，形成温湿度一体传感器。温湿度一体化传感器在消费电子和物联网等领域应用广泛，体积小、功耗低、成本低、集成度高的 IC 半导体温湿度传感器将得到更大的推广应用。3.生物量智能传感器 生物量传感器是指能够感受规定生物量并转换成可用输出信号的传感器，按照被测量分类，生物量传感器包