傳感器與通信技術(shù)、芯片、操作系統(tǒng)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的四大核心技術(shù)，其應(yīng)用涉及社會生活的各個領(lǐng)域。隨著5G技術(shù)華為的突破和北斗星鏈的成型，國內(nèi)在通信技術(shù)領(lǐng)域掌握核心技術(shù)，但是與芯片和操作系統(tǒng)引起國內(nèi)的普遍關(guān)注，傳感器技術(shù)仍然存在差距。
一、界定傳感器
科技，是人體的延伸。如果說，機械延伸了人類的體力，計算機延伸了人類的智力，那么，傳感器技術(shù)，大大延伸了人類的感知力。
傳感器，英文稱 Sensor 或是 Transducer.“傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。
簡單來說，傳感器就是一種檢測裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，可以測量信息，也可以讓用戶感知到信息。通過變換方式，讓傳感器中的數(shù)據(jù)或價值信息轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
二、傳感器的分類
目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規(guī)范，尚未制定出權(quán)威性的傳感器標準類型。只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。
例如，
物理傳感器有：聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等；化學傳感器有：各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應(yīng)等現(xiàn)象等等；生物傳感器有：酶電極和介體生物電等等。在產(chǎn)品用途和形成過程中的因果關(guān)系互相咬合，既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類，難以嚴格劃分。
用傳感器分類和命名方式，主要有以下幾種類型：
（1）按轉(zhuǎn)換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
（2）按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
（3）按照供電方式可分為有源或無源傳感器。
（4）按其輸出信號可分為模擬量輸出、數(shù)字數(shù)字量輸出和開關(guān)量傳感器。
（5）按傳感器使用的材料可分為：半導(dǎo)體材料；晶體材料；陶瓷材料；有機復(fù)合材料；金屬材料；高分子材料；超導(dǎo)材料；光纖材料；納米材料等傳感器。
（6）按能量轉(zhuǎn)換可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。
（7）按照其制造工藝，可分為機械加工工藝；復(fù)合與集成工藝；薄膜、厚膜工藝；陶瓷燒結(jié)工藝；MEMS工藝；電化學工藝等傳感器。
全球產(chǎn)品化的傳感器種類約有2.6萬余種，我國已經(jīng)擁有約1.4萬多種，大多為常規(guī)類型和品種；7000多種可產(chǎn)品化，而在醫(yī)療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白，存在著較大的技術(shù)創(chuàng)新空間。
三、傳感器技術(shù)的三個歷史發(fā)展階段
第1代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。例如：電阻應(yīng)變式傳感器，它是利用金屬材料發(fā)生彈性形變時電阻的變化來轉(zhuǎn)化電信號的。
第2代傳感器是70 年代開始發(fā)展起來的固體傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成的。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。
70年代后期，隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展， 出現(xiàn)集成傳感器。集成傳感器包括2種類型：傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。例如：電荷耦合器件（CCD），集成溫度傳感器AD 590，集成霍爾傳感器UG 3501等。這類傳感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點。集成傳感器發(fā)展非常迅速，現(xiàn)已占傳感器市場的2/ 3 左右，它正向著低價格、多功能和系列化方向發(fā)展。
第3代傳感器是80年代剛剛發(fā)展起來的智能傳感器。所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。80年代智能化測量主要以微處理器為核心，把傳感器信號調(diào)節(jié)電路、微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術(shù)有了進一步的提高，在傳感器一級水平實現(xiàn)智能化，使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等。
四、國內(nèi)外發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
20世紀70年代初，西方發(fā)達國家大力發(fā)展計算機與通訊技術(shù)，忽視了傳感器技術(shù)發(fā)展，傳感器產(chǎn)業(yè)相對慘淡。
80年代初，美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術(shù)發(fā)展的方針，視為涉及科技進步、經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的關(guān)鍵技術(shù)，紛紛列入長遠發(fā)展規(guī)劃和重點計劃之中。并采取嚴格的保密規(guī)定對技術(shù)封鎖和控制，禁止技術(shù)出口，尤其是針對中國。
日本1979年在《對今后十年值得注意的技術(shù)》中將傳感器列為首位；
美國國防部1985年公布的二十項軍事關(guān)鍵技術(shù)中，被列為第十四項；《星球大戰(zhàn)》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯(lián)《軍事航天》計劃，英、法、德等國家高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃中均將傳感器列為重點發(fā)展技術(shù)，并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術(shù)。
美國認為，計算機技術(shù)是核心，敏感技術(shù)、光電子技術(shù)是關(guān)鍵和重點，新材料、微電子技術(shù)是支撐和基礎(chǔ)。通信與計算機結(jié)合，以及多元化、新技術(shù)的融合代表著美國信息技術(shù)發(fā)展方向。
美國國家科學發(fā)展基金會認為，本世紀的重大變革就是：通過網(wǎng)絡(luò)，把物質(zhì)世界聯(lián)接起來，并賦予它一個電子神經(jīng)系統(tǒng)，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預(yù)算約有69億美元，用于傳感器基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用研究，稱其為"Sensor Revolution"（即：傳感器革命）。
美國的科技發(fā)展模式遵循先軍工后民用、先改進后普及的發(fā)展道路，其特點是顯著的：
（1）重視傳感器功能材料的研究；
（2）重視傳感器技術(shù)的發(fā)展;
（3）重視工藝研究：傳感器的原理不難，也不保密，最機密的是工藝（制造）。
而中國傳感器行業(yè)相比于西方國家要較晚開始。1972年我國組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位；1974年，研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器；1978年，誕生中國第一個固態(tài)壓阻加速度傳感器；1982年，國內(nèi)最早開始硅微機械系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)和SOI（絕緣體上硅）技術(shù)的研究。進入20世紀90年代后，硅微機械加工技術(shù)的絕對壓力傳感器、微壓傳感器、呼吸機壓傳感器、多晶硅壓力傳感器、低成本TO-8封裝壓力傳感器等相繼問世并實現(xiàn)生產(chǎn)。
改革開放30年來，我國傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進步，主要表現(xiàn)在：建立了傳感技術(shù)國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術(shù)工程中心等研究開發(fā)基地；MEMS、MOEMS（微光機電系統(tǒng)）等研究項目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點；在“九五”國家重點科技攻關(guān)項目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個品種86個規(guī)格新產(chǎn)品的成績，初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)。
目前，中國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的總趨勢。
五、中國傳感器與國外的差距
目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導(dǎo)。美國、日本、德國及中國合計占據(jù)全球傳感器市場份額的72%，其中中國占比約11%。而且中國傳感器整體技術(shù)含量也較低，是目前急需改變的一個狀態(tài)。
雖然近幾年中國傳感器市場發(fā)展很快，但本土傳感器技術(shù)與世界水平相比仍存在很大差距。這種差距，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面，則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。由于沒有形成足夠的規(guī)?；瘧?yīng)用，導(dǎo)致國內(nèi)的傳感器不僅技術(shù)低，而且價格高，在市場上依舊難有競爭力。
目前，中國中高端傳感器進口占比達80%，傳感器芯片進口更是達90%，國產(chǎn)化缺口巨大。其中數(shù)字化、智能化、微型化等高新技術(shù)產(chǎn)品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產(chǎn)品主要依賴進口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表，國外對我國往往采取限制。外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)高端市場絕大多數(shù)的市場份額，并將會在今后很長一段時間內(nèi)持續(xù)把持高端市場，這種勢頭在短期內(nèi)不會得到根本轉(zhuǎn)變。
同時，國有企業(yè)發(fā)展處于平穩(wěn)增長狀態(tài)，總體上跟不上國外最新技術(shù)發(fā)展的步伐，除少數(shù)廠家外，總體差距有擴大的趨勢。這是因為傳感器技術(shù)發(fā)展快，工藝和制造設(shè)備更新快，許多新設(shè)備國內(nèi)廠商無法制造等原因造成的。并且設(shè)備的單臺價格少則幾十萬美元，多則數(shù)百萬美元，絕大多數(shù)廠家靠自身積累很難購買新型設(shè)備，致使在許多新技術(shù)、新工藝方面無法跟上國外企業(yè)飛速發(fā)展的步伐。
六、2020年中國傳感器發(fā)展趨勢
1、智能傳感器、MEMS傳感器成為企業(yè)發(fā)展重心
在結(jié)構(gòu)型傳感器、固體型傳感器已經(jīng)無法滿足數(shù)字化時代對于數(shù)據(jù)采集、處理等流程的高需求之時，智能傳感器、MEMS傳感器最近幾年都十分熱門，在微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向逐漸走向成熟。尤其是在2019年底，上海啟動打造智能傳感器產(chǎn)業(yè)基地，重點發(fā)展MEMS工藝，涵蓋力、光、聲、熱、磁、環(huán)境等多種類傳感器，這也標志著未來國內(nèi)將在智能傳感器、MEMS傳感器領(lǐng)域發(fā)力。
2、傳感器與集成電路融合發(fā)展將成為我國傳感器制造重要趨勢
傳感器屬于集成電路的細分領(lǐng)域，但是區(qū)別甚大，傳感器的柔性化定制需求較大，并且研發(fā)周期較長，材料以及工藝較為復(fù)雜，大規(guī)模生產(chǎn)能力較弱。
在未來，通過設(shè)計工具、模型表達、可測性設(shè)置以及工藝整合等途徑向集成電路靠攏，可利用MEMS和集成電路Ansys、Candence定制仿真平臺的集成融合;同時，建立傳感器生產(chǎn)制造的IP模型，實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn);再而采用素質(zhì)化測試方式，實現(xiàn)數(shù)模的機理轉(zhuǎn)化;通過利用這些適合國內(nèi)國情的發(fā)展模式，實現(xiàn)傳感器從設(shè)計到制造的快速升級。
3、企業(yè)細分垂直化，獨角獸和隱形冠軍逐漸浮出水面
國內(nèi)傳感器企業(yè)規(guī)模主要偏向中小型，在研發(fā)支出、創(chuàng)新能力上有限，而且獲得的政策扶持力度上也不大，深耕垂直領(lǐng)域的企業(yè)眾多。再加上，由于國內(nèi)目前物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4．0市場規(guī)模過于龐大，且需求碎片化，這些垂直領(lǐng)域的企業(yè)在市場有序化之前，對于自身業(yè)務(wù)拓展可能處于保守態(tài)度，繼續(xù)發(fā)展原有業(yè)務(wù)。
在“一口吃不了一個大胖子”的格局下，我們將會在2020年，看到更多在原有業(yè)務(wù)領(lǐng)域發(fā)展壯大的隱形冠軍，以及創(chuàng)新環(huán)境下涌現(xiàn)出來的獨角獸。
4、傳感器國產(chǎn)率將穩(wěn)步上升
傳感器作為影響國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4．0等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的卡脖子技術(shù)之一，一直都是依賴國外產(chǎn)品。最近幾年，政策、資本都在關(guān)注傳感器的發(fā)展，同時也涌現(xiàn)出了一批像森霸傳感、萬訊自控這些國內(nèi)傳感器優(yōu)質(zhì)企業(yè)，在兼具研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)到應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)體系的情況下，傳感器國產(chǎn)率將會穩(wěn)步前進，根據(jù)統(tǒng)計，在2016-2020年期間，全球傳感器市場復(fù)合增長率僅為11%，而我國傳感器產(chǎn)業(yè)平均復(fù)合增長率達到了30%，這也是向全世界發(fā)出了高調(diào)的信號。
5、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)集群格局明顯
早在2017年，我國傳感器產(chǎn)業(yè)就已經(jīng)初步形成了長三角、珠三角、東北、京津冀以及中部五大產(chǎn)業(yè)集群。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長三角區(qū)域的傳感器上市企業(yè)占比38%，珠三角、京津冀、東北以及中部企業(yè)占比相當。
在工信部印發(fā)的《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017-2019年）》要求中表示，“集中力量打造以上海、江蘇為重點的長三角產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)”，同時，截止2020年1月，長三角地區(qū)已經(jīng)聚集了50%以上的智能傳感器企業(yè)，在此大環(huán)境下，國內(nèi)智能傳感器的中心無疑將落地長三角，而其他產(chǎn)業(yè)集群極有可能將會根據(jù)傳感器其他細分領(lǐng)域進行深耕。
6、CMOS圖像傳感器競爭將進入最后階段
由于車載應(yīng)用、機器視覺、人臉識別和安防監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅速發(fā)展，以及智能手機多攝像頭的普及，2019年CMOS圖像傳感器進入了市場急劇擴大的階段，而作為CMOS圖像傳感器的龍頭老大，占據(jù)50%以上市場份額的索尼主動承認自家產(chǎn)能不足。
在索尼產(chǎn)能不足的情況下，CMOS圖像傳感器的另外兩家巨頭，三星和豪威科技，能不能在索尼擴建工廠之前，搶占部分市場份額，最終形成三國鼎立的局面，將會是2020年最有看頭的大戲。
7、光學傳感器將成為重要創(chuàng)新推手，技術(shù)市場局勢明顯
從消費、工業(yè)再到汽車，無一不包含了物聯(lián)網(wǎng)的元素，也正是得益于物聯(lián)網(wǎng)、機器人這些下游應(yīng)用市場，光學傳感器市場也在快速增長。根據(jù)GlobalMarketInsights在2019年底發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，到2026年，僅在工業(yè)4．0領(lǐng)域，光學傳感器的銷售額將達到360億美元，更何況大批量使用傳感器的智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
不過，需要指出的是，由于光傳感器目前主流的三種技術(shù)，結(jié)構(gòu)光、主動立體視覺以及ToF,這三者的成本和技術(shù)上各有利弊，在2020年物聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)步發(fā)展的同時，這三種技術(shù)的市場也逐漸趨于平穩(wěn)。
8、傳感器的定制化方案更深、更廣
由于功能以及應(yīng)用場景等因素，傳感器本身自帶定制化特性。傳統(tǒng)的標準型傳感器已經(jīng)無法滿足OEM的設(shè)計需求，同時也無法滿足終端用戶的偏好，在2019年，我們不乏看到一些智能手機廠商與索尼、三星等傳感器企業(yè)合作定制傳感器。
在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景逐漸向廣度和深度拓展，更多的功能和設(shè)計細節(jié)將會出現(xiàn)，具有傳感器的定制方案以及柔性化生產(chǎn)能力的企業(yè)會在未來獲得OEM廠商的青睞。
9、多傳感器融合技術(shù)風頭逐步顯現(xiàn)
為人熟知，多傳感器融合技術(shù)目前主要應(yīng)用在自動駕駛和機器人領(lǐng)域，即使馬斯克在2019年，怒懟激光雷達又貴又雞肋，但是還是逃不脫自家超聲波傳感器、攝像頭以及毫米波雷達的組合使用。自動駕駛安全性需要傳感器的冗余支持，以及多種傳感器協(xié)同提升容錯率，可以預(yù)見，在未來一段時間內(nèi)，自動駕駛的多傳感器融合將成為市場的主流，進一步大膽預(yù)測，在可穿戴設(shè)備、健康檢測、智能家居等領(lǐng)域，多傳感器融合技術(shù)將會得到進一步應(yīng)用和發(fā)展。
10、國際并購、收購案件增多
傳感器作為一個老牌行業(yè)，一直都位于各大產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最底層。所謂圈內(nèi)人看門道，正是由于傳感器是最基礎(chǔ)的行業(yè)，其產(chǎn)業(yè)資源相當厚實。動輒幾十億美元美元的收購、并購可不是鬧著玩的，TE在2014年 17億美元收購MEAS,AMS在2019年46億歐元收購歐司朗、索尼1．55億收購東芝圖像傳感器部門，這些大宗收購案例都表明了大企業(yè)在數(shù)字化時代下，穩(wěn)住自身的高市場份額。
在2020年，來自中國傳感器產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，勢必將對全球傳感器企業(yè)的市場造成一定的沖擊，同時，在物聯(lián)網(wǎng)傳感器大量應(yīng)用的當下，還沒有一家企業(yè)能夠在某個領(lǐng)域成為霸主。為了穩(wěn)固自身市場份額，壓縮競爭對手的發(fā)展空間，更多涉足新形態(tài)領(lǐng)域，國際并購、收購案件將會持續(xù)增加。
文章綜合大河周末、物聯(lián)傳媒、電子展覽網(wǎng)報道。
粵公網(wǎng)安備44030602003691號