文︱立厷

圖︱網絡

沈陽爆炸讓人們的關注焦點再次集中于傳感器，因為在很多應用領域，傳感器都與安全息息相關。

2020年6月，有文章指出：“你以為我們只有芯片不行嗎？其實我們傳感器更落后！一直靠著國外的產品來進行，它的缺失比芯片這個還要多。如此的靠著進口，讓國內有更慘敗的局面?！?/p>

此番論點，相信做傳感器的企業(yè)一定不會茍同，因為不管怎樣，在Yole Développement的《氣體和粒子傳感器：技術和市場趨勢2021》報告中，赫然在列的就有中國的企業(yè)——漢威科技和煒盛電子，占比雖不高（加起來4％），但也不在“other”之列。事實上，煒盛電子是漢威科技的子公司。

2020氣體傳感器市場份額

氣體和粒子傳感器市場幾何？

環(huán)境傳感器包括氣體傳感器和粒子傳感器，在室內空氣管理領域日漸流行勝。Yole預計2026年，兩者的總價值將從2020年的12億美元增至22億美元，復合年增長率為10．9％。車輛仍是大多數(shù)氣體傳感器應用的大戶，消費市場也在加速嗅覺數(shù)字化。

分析表明，氣體傳感器市場勢頭強勁，預計2026年收入將達到18億美元，復合年增長率為10％。粒子傳感器市場同期表現(xiàn)為16．3％，預計在2026年達到4．07億美元。消費市場推動了氣體傳感器的增長，復合年增長率為39．4％。

按應用細分氣體和粒子傳感器預測

在Yole的技術與市場分析師Dimitrios Damianos博士看來：“已經非常成熟的汽車動力總成、工業(yè)和HVAC市場仍占主導地位，有約80％的氣體和粒子傳感器銷量來自于此。但消費應用似乎已做好準備起飛，這要歸功于智能家居和可穿戴設備的發(fā)展?！?/p>

氣體傳感器主要應用

HVAC（包括家用空氣凈化器）、交通空氣舒適度復合年增長率分別為18％和15．6％，機會空前；醫(yī)療、環(huán)境、國防和工業(yè)安全等其他市場比較傳統(tǒng)，主要受到利基機會推動。

Yole傳感與致動團隊首席分析師Jerome Mouly認為：“在室內空氣管理領域，氣體和粒子傳感器等環(huán)境傳感器的表現(xiàn)越來越有趣?！彼f：“我們呼吸的空氣質量是關乎人們健康和安全的一個全球性問題。世界衛(wèi)生組織稱，每年有420萬例死亡與污染問題和暴露于有毒或危險氣體相關。污染成本對經濟也會產生顯著影響，世界銀行估算為全球GDP的4．8％?！笔聦嵣希鹿谝咔樽屓藗儗κ覂瓤諝獾谋O(jiān)測更加關注。研究表明，人們呼出的氣溶膠粒子在空氣中的存量與氣溶膠所攜帶病毒的可能傳播之間存在相關性。

粒子傳感器主要應用

汽車制造商仍然是氣體傳感器的主要使用者，市場份額超過55％。博世仍然是22％全球市場份額的領導者。過去兩三年里，行業(yè)圍繞提供固態(tài)氣體傳感器解決方案的參與者建立了生態(tài)系統(tǒng)，市場再次表明了對小型、低功耗、基于電池應用的新市場的多樣化興趣。

供應鏈整合初見端倪

2010年全球傳感器產業(yè)規(guī)模721億美元，去年已達2580億美元，增長速度大大高于全球GDP。在傳感器占比中，最大的是圖像傳感器，第一的索尼，第二是三星，第三是被國內韋爾半導體160億美元收購的豪威（OmniVision）；第二大占比是MEMS，包括手機常用的加速度陀螺儀、高度計，還有一些工業(yè)用壓力傳感器，然后是射頻、雷達。氣體傳感器產業(yè)規(guī)模只占總體份額2％左右，是未來具有發(fā)展?jié)摿Φ念I域。

供應鏈方面，氣體傳感器市場由5家公司主導，其收益在總市場份額中占比達70％。5家公司是博世、德爾福、NGK／NTK（日本特殊陶業(yè)株式會社）、電裝和霍尼韋爾。博世在氣體及MEMS等很多傳感器領域都排名靠前；霍尼韋爾旗下有4個品牌氣體傳感器；此外，還有大量公司進入該產業(yè)。

氣體傳感器技術細分

在粒子傳感器產業(yè)的競爭格局中，有3大領先公司脫穎而出：夏普在出貨量方面仍然領先，攀藤科技出貨量緊隨其后，收益達到近2000萬美元。攀藤是2014年在北京成立的初創(chuàng)公司。瑞士盛思銳（Sensirion）很有意思，一個企業(yè)基本上代表了一個行業(yè)，技術方面是全球絕對的第一，但是占比特別少，僅為1％，它有望在未來幾年成為重要玩家。

在半導體和MEMS領域，知名公司通過收購加強了其技術知識或市場準入能力：瑞薩收購了IDT；盛思銳最近收購了MEMS氣體分析公司Qmicro；ams還通過一家合資企業(yè)重組了其氣體傳感器業(yè)務。這些公司正將自己定位于汽車座艙舒適性、家用通風甚至家用電器和消費設備市場。此外，英飛凌和TDK也將加入氣體傳感器市場，將新的解決方案商業(yè)化。

應用驅動技術發(fā)展

MOS（金屬氧化物半導體）和NDIR（非色散紅外）技術已在家用應用中得到證實，如空氣凈化器、智能家庭空氣監(jiān)測，甚至是汽車駕駛室。二氧化碳、氮氧化物或揮發(fā)性有機化合物等氣體是這些技術的主要目標。不過，MOS技術缺乏選擇性，NDIR傳感器體積龐大，一直阻礙著MOS和NDIR傳感器的采用。2020年，這兩種技術加起來占市場份額大約四分之一。預計到2026年，這一比例將增長到41％，這要歸功于新興應用和更具選擇性和更小尺寸的技術進步。MOS和NDIR有望蠶食電化學探測器的歷史市場份額。在粒子傳感器領域，向光散射光學檢測的過渡已經開始。特別是，這意味著使用激光源代替LED，從而可以更好地測量更高濃度和更小尺寸的粒子。

人工智能正嵌入到某些新的傳感器中，新的應用可以受益于數(shù)字嗅覺測量技術的進步，包括食品安全或疾病早期檢測等應用，甚至有利于自主和共享交通的舒適性。為此，一些公司如博世、TDK正在推廣環(huán)境組合，而Ayballe，AlphaMOS則在推進用于數(shù)字嗅覺的電子鼻開發(fā)，不僅可測量氣體，還可以測量更復雜的氣味。

數(shù)字電子鼻的構造

氣體與粒子傳感器在不同的開發(fā)階段都面臨著許多相同的挑戰(zhàn)。氣體傳感器的主要改進是小型化和低功耗，而且會出現(xiàn)更多組合濕度、溫度、壓力與氣體檢測功能的傳感器，如四合一、多陣列產品。

氣體和粒子傳感器的未來挑戰(zhàn)和路線圖

國產傳感器品類較全

傳感器類型很多，檢測原理不盡相同。漢威科技集團研究院副院長劉建鋼解釋說，從檢測原理來說，氣體傳感器第一類是電化學類，占比70％以上，還有NDIR傳感器、MOS傳感器、PID（光離子）和超聲波傳感器等。環(huán)境傳感器包括氣體傳感器、熱電堆傳感器、熱電和人體感應以及溫濕度傳感器。其中氣體傳感器采用獨有的核心氣敏材料配方，可用于檢測VOC（揮發(fā)性有機化合物）、乙醇、甲醛、可燃氣、二氧化氮、二氧化硫、硫化氫、一氧化碳、氨氣、臭氧等多種氣體。

國產各種氣體傳感器

據介紹，盡管目前國內一些頭部傳感器廠商在全球占比較小，但產品種類比較器齊全，也掌握了最多的原理，包括電化學、催化、紅外、半導體和MEMS等。MEMS氣體傳感器的研發(fā)投入高達幾千萬元，2016年國內已有MEMS技術配合專用ASIC的智能傳感器，性能上比原來有很大提升。2020年歌爾和漢威科技的智能氣體傳感器還雙雙獲得了國家獎。

像前面提到的國內傳感器廠商都是從最前端的傳感器材料做起，如材料的合成、配方，然后實現(xiàn)整體設計、封裝測試和應用方案，都是一條龍業(yè)務。一些企業(yè)跟學術科研界有廣泛的合作，如清華大學人工智能實驗室、北京大學材料科學與工程學院，還有中科院的幾個所。

競合關系中的開放心態(tài)也很重要，一些企業(yè)在技術和產品方面都有合作，像漢威每年采購同行的產品也很多，甚至是某類產品國內最大的采購商。

氣體傳感器的應用與創(chuàng)新

在應用方面，第一就是安全，如家用和商用燃氣泄漏檢測，以及市政管道類密閉空間氣體泄漏檢測，在該領域國產傳感器占比最大。商用一般是防爆，對傳感器的要求比較高，需要聯(lián)網功能。這類傳感器一般會嵌入到管道中實現(xiàn)巡檢。2005年是用小推車，每人一天也巡檢管道幾十公里，現(xiàn)在開著新研發(fā)的激光遙測車做管路巡檢，每小時跑幾十公里，相當于原來一個工人一天的工作量，為市政部門節(jié)省了大量人力。

氣體傳感器的應用

安全之后就是健康用的環(huán)境檢測傳感器，如家用甲醛、粉塵、二氧化碳、VOC，在甲醛、VOC方面國產傳感器也是行業(yè)第一。商業(yè)應用主要是空調用二氧化碳、一氧化碳、甲醛、甲苯，包括氡氣檢測。

今年4月，日本出臺法律，支持當?shù)刭徺I二氧化碳檢測儀，以檢測室內環(huán)境是否通風良好，避免新冠病毒在空氣比較密閉的環(huán)境傳播。其檢測指標就是二氧化碳。這也為相關廠商帶來了業(yè)績的巨大增長，甚至一度交不了貨。在空氣凈化器、新風機方面，目前國內銷量為500－700萬臺左右，全球大約2000萬臺。

有了安全、健康，就會有更高的追求，這就是汽車，首當其沖的是汽車空氣質量檢測，如一氧化碳、二氧化碳、甲醛；還有面向新能源汽車的鋰電池安全檢測、氫氣泄漏檢測，以及油改氣壓縮天然氣檢查模塊，這些方面國產傳感器都已進入了前裝。此外，還有?；窓z測，集成半導體和電化學優(yōu)勢的傳感器應用特別看好。

氣體傳感器的汽車應用

國內廠商的預期

國內一家頭部傳感器廠商的老總對未來給出了以下預測：氣體傳感器有13個發(fā)展趨勢，包括數(shù)字化、網絡化、智能化、多功能、小體積、低功耗、低成本、高精度、高可靠性等。他認為，國際大廠的一些案例值得好好研究，如博世的BME680空氣質量傳感器，一個小小的傳感器中集成了氣體、溫度、濕度、氣壓四種參數(shù)；另一個是盛思銳的SGP40室內空氣質量傳感器，它是一個4陣列器件。他表示，后年將推出類似的產品。

在智能化方面，在傳統(tǒng)熱電堆中集成一個專用信號調理芯片，就可以直接輸出數(shù)字實現(xiàn)信號調理、處理、校準和自診斷，考勤機、工業(yè)檢測，甚至額溫槍、體溫槍，還有其他很多創(chuàng)新應用的可以采用。原來的傳感器是非智能的，客戶設計電路、做校準都很麻煩，限制了創(chuàng)新。智能傳感器拿過來直接供電就可以讀出想要的一些物理參數(shù)，應用很方便，解決了很多行業(yè)問題，使產品精度、靈敏度、可靠性得到很大提升，體積和功耗也有所下降。

智能熱電堆傳感器

又如智能熱釋電傳感器，其原理是在PET厚膜下做了一個信號調理芯片，特殊之處是輸出阻抗比常用芯片高兩三個數(shù)量級。像小米的感應燈、一些報警器、草坪燈都有應用，可以實現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅。而且這種傳感器很便宜，1塊錢左右就可以實現(xiàn)很多創(chuàng)新應用。

智能熱釋電傳感器

他表示，溫度傳感器的發(fā)展趨勢也很明顯，首先是體積不斷縮小，從以前的3mm×3mm到2．5mm×2．5mm，今年盛思銳的SGP40已經做到1．5mm×1．5mm。其次是成本已由原來的60元左右做到現(xiàn)在的四五塊錢；引腳間距0．5mm×0．5mm，大了一點，工藝性更好，工作電壓也更寬。

這位老總說，現(xiàn)在他的公司是一個平臺，兩種原理，八種物理量，200多種產品。即：一個傳感器技術平臺；物理化學兩種檢測原理；氣體、溫濕度、環(huán)境光、PM2．5、壓力、流量等八種物理量；200多種產品的支撐材料包括有機、無機、物理、化學，傳感芯片包括CMOS、厚膜、薄膜、MEMS、陶瓷，再配合整體設計和封測，形成了比較完整的應用平臺，還可據此開發(fā)很多種產品，不僅適用于氣體環(huán)境，還適用于壓力、振動、射線、流量等一些應用領域。

盡快擺脫六個字

在青島剛剛閉幕的中國智能傳感器產業(yè)大會上，中國傳感器與物聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟常務副理事長郭源生以“高、小、散、多、缺、難”六個字總結了當前國內產業(yè)面臨的問題。他指出，高技術含量、高技術指標與緊缺的自主技術、緊缺的領軍人才、松散的產業(yè)分布、較小的企業(yè)規(guī)模、有限的產品產量之間的矛盾十分突出。

通過以上市場和技術趨勢分析可以看出，我國傳感器行業(yè)要徹底擺脫這六個字難度很大，但依托已有技術，實現(xiàn)局部突破是有可能的，特別是從設計、制造、封裝測試到設備材料形成支撐自主可控的供應鏈，打造中國傳感器產業(yè)的匯聚集群。因為畢竟傳感器技術沒有像處理器等半導體芯片要求那么高的工藝和設備，投入也少得多。