初步认识传感器

一 什么是传感器一 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 International Electrotechnical Committee 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 Global Market Insights 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 iPhone 5s 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 智能智能 驾驶打开车载智能传感器新市场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 IHS Markit2017 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 Yole Development 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 Business Wire 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 球新车评估规程对 ADAS 功能提出了更高的要求 因此 ADAS 渗透率将迅速上升 直接推 动毫米波雷达需求 到 2021 年 全球毫米波雷达市场规模将达到近 60 亿美元 2016 年国内毫米波雷达在汽车上的预安装量达到 105 万个 其中 24GHz 雷达占 63 8 77GHz 占 36 2 24GHz 传感器型号检测范围为 0 2 30m 主要用于 BSD 盲点 检测 和 LDW 车道偏离警告 数字时代研究 Digitimes Research 表示 77GHz 能 够检测到 100 250m 的范围 主要用于 AEB 自动紧急制动 和 ACC 自适应巡航控制 今年由中国汽车研究中心发布的中国新车评估规程 C NCAP 中 AEB 系统将在 2018 年 被纳入评分系统中 并且窄带 24GHz 在物体的距离检测和识别方面相对较差 因此 24GHz 雷达将在 2022 年失去霸主地位 79GHz 将逐渐取代 24GHz 2022 年后将加速替代 根据 Digitimes Research 调查 2017 年 24GHz 和 77GHz 汽车毫米波雷达传感器模 块的价格分别约为 50 美元和 150 220 美元 根据所需的安全功能 ADAS 系统应配备至 少 5 个毫米雷达传感器 1 个用于检测长距离 4 个用于检测中短距离 我们进行如下假 设 2016 2020 年国内乘用车销量的年均增长率为 5 预计 2020 年乘用车数量达到 2963 万辆 到 2020 年 ADAS 系统渗透率为 30 24GHz 毫米波雷达价格降至 35 美元 77GHz 毫米波雷达价格为 150 美元 数量以最少 5 个来保守估计 2020 年国内汽车毫米 波雷达市场规模约为 25 8 亿美元 约 170 7 亿元 从竞争格局来看 全球毫米波雷达市场由博世 欧洲大陆 TRW 法雷奥 海拉 德尔 福 电装 Autoliv 以及富士通十大品牌 现在的中国市场是全球竞争的缩影 在中国 24GHz 雷达市场由法雷奥 海拉和博世主导 占总出货量的 60 77GHz 雷达市场被大陆 博世和德尔福垄断 共占总出货量的 80 中国毫米波雷达公司取得突破 代表公司有承 泰科技 纳雷科技 隼眼科技 行易道和华域汽车 部分公司预计在 2019 2020 年期间实 现批量生产 与毫米波雷达 摄像头这种方案相比 激光雷达探测距离更远 测量精度更高 但目前 成本较高且抵抗天气干扰的能力差 根据 Yole Development 近期发布的报告 全球汽车 激光雷达市场将在未来五年快速增长 其市场规模将从 2017 年的 3 亿美元增长至 2022 年的 14 亿美元 CAGR 高达 36 2022 2027 年的年均增长率逐渐放缓 降低至 25 2027 年市场规模有望增长到 44 亿美元 国内汽车激光雷达市场目前被国外 Velodyne Ibeo Quanergy 等公司垄断 国内技 术水准有限 专注于此领域的公司较少 主要有北科天绘 上海禾赛 护航实业 镭神智 能 思岚科技和速腾聚创这几家 目前的激光雷达市场规模较小 国内公司逐渐掌握核心技术 加快布局 根据三胜咨 询预测 2020 年国内市场将开启爆发式增长模式 到 2022 年市场规模将达到 75 19 亿 元 注 由于激光雷达的价格变动很大 本文各大权威机构对激光雷达的市场空间测算仅 作参考 国产企业在固态式方面也有所研发 北科天绘 速腾聚创都