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中国为什么要发展传感器?

2022-05-11



传感器专家网



 

2022-05-11

 

中国的传感器不能自主,失去的可能是数十万亿的市场。

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未来中国最需要发展哪些科技?

很多人第一反应就是芯片,5G、6G通信技术,人工智能,自动驾驶……

但极少有人知道,这些重要的技术都离不开一个不起眼的设备——传感器。

中国的传感器不能自主,失去的可能是数十万亿的市场。


无处不在的传感器

我们所知道的大国重器,都极度依赖传感器。

“辽宁号”“山东号”航空母舰、093型攻击型核潜艇、094型弹道导弹核潜艇、055型导弹驱逐舰、歼20战斗机……等等,无不遍布各种光电、红外、惯导传感器。

东风–31A、东风–41、东风–5B等洲际弹道导弹,以及其他各种制导武器,依赖惯性测量单元(IMU)、激光传感器、红外传感器、毫米波传感器、光电传感器、雷达等各种传感器进行制导,以精确命中目标。

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▲国内制导武器的主要制导方式


可以说,现代武器,就离不开传感器。

中国“天空”空间站核心舱“天和”号,是空间站的管理和控制中心,负责空间站组合体的统一管理和控制,拥有核心传感器300多个,测量长达900多路信号,传感器全部为自主研发,感知、控制着整个空间站的各项数据。

神舟十三号载人飞船与中国空间站天和核心舱,实现首次径向交会对接,主要功臣就是我国航天科工某所自主研制的微波雷达,微波雷达相继导引天舟二号、神舟十二号、神舟十三号飞船与天和核心舱完成交会对接。

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▲在微波雷达引导下,首次载人飞船在太空实施径向交会对接


中国空间站机械臂,可用于飞行器的捕获、辅助航天员舱外活动、舱外货物搬运、舱体状态检查、载荷照料等重要任务,是空间站最具实用价值的工具,其核心是中国航天科技集团公司某所历时10年研发的3款传感器,打破了国外企业在该领域的技术垄断。

其中,六维力传感器是三款传感器中结构最为复杂、研制难度最大的一款,能够同时测量三个方向上的力分量和转动时的力矩分量;一维力传感器主要负责机械臂末端执行器在实施目标抓取和拖动功能时,对拖动力进行监测;一维力矩传感器则用于感知机械臂关节转动时所承载的力矩,实现整臂的柔顺控制。

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近几年火热的自动驾驶技术,无论是哪种方案,都至少需要用到摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达等数种传感器,进行信息感知。

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▲特斯拉自动驾驶图像识别


一部手机里面有10+个传感器,一辆汽车有300+个传感器,一列高铁有2400+个传感器……在制造业、在人工智能、在物联网、……传感器无处不在。

从上面这些例子,我们可以看到传感器很重要,几乎没有任何现代信息技术可以离开传感器的应用。


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因此,传感器技术被列为现代信息技术三大支柱之一,另外两大支柱是通信技术和计算机技术,代表性科技就是文首说的5G通信和芯片。

传感器是构建智能工业和智能社会大厦的基石,如同一座数百米的高楼建筑,离不开深入地下几十米的地基。

我国在“十四五”规划纲要中明确提出,要聚焦传感器等关键领域,加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用。

日本、德国、美国、俄罗斯等国家,也先后将传感器列入国家科技发展战略中。

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美国著名商业杂志《福布斯》曾经做过评选调查,列出了改变世界和人们生活的10大科技产品,将传感器列排在首位。

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传感器是人类创造出来,赋予机械以感知能力的科技。试想一下,如果一个人没有了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉等等感知,只剩下思考和行动的能力,那这个人能做的事情将非常有限。

而这,就是传感器对于现代科技的意义。


传感器撬动了多大的市场?

从1883年全球首台恒温器正式上市,到20世纪40年代末第一款红外传感器问世;直到现在,全球传感器的种类已高达35000余种。

从技术和应用类型来看,传感器分为温度、压力、超声波、流量、电阻、图像传感器等;从学科来看,包含声光电等,传感器还分为化学、物理、生物传感器等;从产业布局上来看,分为消费级、汽车电子、工业级、医疗传感器四种

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▲传感器分类表


根据中商产业研究院、前瞻经济学人等机构的预测,2019年中国传感器市场规模2188.8亿元,同比增长12.7%,2020年中国传感器市场规模将突破2500亿元,2021年增至2951.8亿元。

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2021年中国传感器市场规模近3000亿!

然而,这仅仅是传感器市场的规模,作为数字生活的起点,传感器撬动起了万亿市场。

日常生活中,我们对传感器感知较多的,是智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域。

以可穿戴设备为例,一个耳带设备(主要为蓝牙耳机),有语音交互、健康监测及助听等功能,依赖于MEMS麦克风、距离传感器等传感器。

一块智能手表/手环,常规的拥有心率、血氧、运动模式监测等功能,高级些的甚至有海拔气压、血压、ECG心电等监测功能,这些功能依赖于相关的光电传感器、压力传感器陀螺仪等传感器。

那么可穿戴设备的市场有多大?

根据2022年3月著名市场调研机构IDC发布的《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告,2021年第四季度》数据显示,2021年耳戴设备市场出货量7,898万台;2021年手表市场出货量3,956万台;2021年手环市场出货量1,910万台,2020年到2021年手环市场平均价格从27美金涨到34美金。

 据《财富》调查报告显示,健身可穿戴设备市场规模已达到363亿美元,复合年增长率将达15.4%, 据预测,2028年该市场规模将超过1100亿美元,约合7000多亿人民币。

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而这仅是可穿戴设备市场!智能家居、智能移动终端等市场规模,更远在可穿戴设备之上。

如果没有先进的传感器,我想人们很难说服自己购买一块与传统手表差不多的“智能”手表/手环,某种意义上来说,“智能”二字是靠传感器赋予的。

手表/手环可以感知你的心率、血氧情况,可以监测现在的气压计算现在的海拔,甚至可以做血压监测、ECG心电监测,更进一步掌握身体情况……这些,都是传统手表、电子手表无法做到的,也是驱动人们去购买的因素。

然而无论是华为手表、小米手表还是OPPO手表等各“国产”可穿戴设备品牌,里面装着的传感器,90%以上都是意法半导体(ST)、博世、英飞凌……等国外品牌产品。

VR/AR设备、元宇宙、智能车辆网、物联网、人工智能……这些应用场景组成了我们的数字经济,这其中传感器的身影无处不在。

根据中国信通院发布的《中国数字经济发展白皮书》显示,我国数字经济规模达22.6万亿,占GDP比重达30%,而数字经济的起点,就是传感器。

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以上,基本属于传感器消费电子市场,除了消费电子外,汽车电子、工业电子、医疗电子等领域,也是传感器发挥重要作用的地方,传感器所撬动的庞大产业可见一斑。

小小的3000亿市值的传感器,撬动的是数十万亿计的庞大市场。


中国传感器产业都是脖子!

没有芯片,华为的新手机用不上5G;没有压力传感器,一座千亿级产值的现代化工厂可能就要面临停工。

国产传感器市场份额低

根据《中国传感器发展蓝皮书》披露的数据看,“国内中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口更达90%,国产化缺口巨大”。而这只是总体数据,具体到细分市场,许多传感器细分领域更是惨不忍睹!

汽车传感器市场,主要传感器产品有压力、温度、转矩、气体、液位、电流、照度、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达……但国产厂商占比仅2%,其余98%被博世、英飞凌等国外大厂瓜分。

主要原因是车规级传感器要求严格,国产大部分传感器产品存在不能批量生产、可靠性差、性价比不高等情况,同时国家支持力度、政策不足,汽车企业更倾向于向稳定、成熟的国外企业购买传感器。

海洋传感器市场,我国更是零蛋,这个领域的传感器100%都是国外进口,我国没有任何企业能够自主制造。我国研制的所有海面浮标、潜标、海床基等使用的温度、压力传感器,都是从国外进口的。

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▲海洋CTD仪(盐温深仪,用于测量海水电导率,温度和压力)


在消费电子、汽车电子、医疗电子以及高端工业制造方面,国产传感器市场占比不超过10%,已经成为业界共识。


没有自己的传感器设计软件

现在我们知道,工业设计软件是中国制造的软肋,同样,也是传感器产业的软肋。

MEMS技术是传感器的重要发展技术,目前已经占据1/3左右的传感器市场,随着集成化、智能化、低功耗等趋势愈发明显,MEMS技术也将越来越重要。

传感器设计软件主要是指以MEMS CAD(计算机辅助设计软件)为首的工业软件,是MEMS传感器设计实现电子设计自动化(EDA)的关键。

没有传感器设计软件,我们就设计不了MEMS传感器。传感器产业最惨的是完全没有一套国产的、可用的传感器设计软件,而传统工业软件领域,我们还有华大九天、广州中望等公司的工业设计软件产品可以用。

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MEMS设计软件,主要是IntelliSense、Coventor这两款美国软件,两家合计几乎占据中国传感器设计软件100%市场份额。有多夸张?国家高技术研究发展计划(俗称“863”计划),其中MEMS研究项目的30个研究小组,全部使用Coventor的软件。

如果美国一个制裁,中国企业连一颗传感器芯片也设计不了!


制造工艺落后

我国高端传感器核心制造装备目前主要依靠进口,国内厂商靠自身积累很难进行设备和工艺更新,虽然具备一批自主研发的工艺和产品,但主要性能指标仍和国外差 1~2 个数量级,使用寿命 差 2~3 个数量级。

更先进的MEMS传感器方面,尽管对芯片制造进程要求不高,我国目前已有不少晶圆芯片代工厂能生产MEMS传感器芯片,但即使硬件条件与国际水平相近,工艺技术和经验却无法达到国外工厂规模生产的标准。

在全球17家主流MEMS芯片代工厂,除了宝岛台湾的台积电、世界先进、联电等传统代工厂,中国本土只有赛微电子收购的位于海外瑞典的Silex入榜,再无其他本土MEMS代工厂入围,可见中国大陆本土传感器芯片产业对全球供应链影响力几乎为0。主流MEMS芯片代工厂参看《全球MEMS实力最强的17家代工厂》内容。

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可以说中国传感器产业,从设计、制造到市场,全都是脖子!


结     语

中国为什么要发展传感器?

因为传感器太重要了,对现代科技来说,传感器是眼睛、是耳朵、是皮肤……是沟通现实世界与虚拟世界的桥梁,是赋予机械以感知能力的人类黑科技。

传感器撬动了数十万亿产值的庞大市场,从数字经济、汽车、医疗到现代化制造,都离不开传感器。

然而我国传感器产业,无论是设计、制造、市场,从上之下均没有太多亮点,90%以上依赖进口产品,一旦被卡,传感器以及隐藏在传感器背后的庞大产业,将岌岌可危。

中国亟需发展传感器!



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