传感器网络系统全景调研与发展战略研究

传感器网络系统全景调研与发展战略研究 一、 行业上下游情况 传感器上游为芯片、电路、电源、不同类型的元件等各种原材料；中游是电容式气压传感器、红外气体传感器、图像传感器等各种类型的传感器制造；下游则是于消费电子、汽车电子、工业电子、通信电子等下游应用。 （一）上游产业 近年来随着消费电子、移动互联网、汽车电子、工业控制、医疗电子等市场需求的不断提升，以及国家支持政策的不断提出，我国集成电路行业发展快速。数据显示，2021年我国集成电路市场规模由2016年的4336亿元增长至10458亿元，年均复合增长率为19．3%。预计2022年我国集成电路行业市场规模将达12036亿元。 电源可将各种形式的能量转换成电能，是各类电子设备的心脏，是电力电子设备实现正常运行及电压调节的基础。不同的电源具有不同的工作原理和功能，可广泛应用于经济建设、科学研究、国防建设等多个领域。 近年来受益于技术的进步和社会电气化程度提高，我国电源产业实现快速增长。根据中国电源学会数据，2021年我国电源行业市场规模由2016年的2056亿元增长至3416亿元。预计2022年我国电源行业市场规模将达3700亿元。 （二）下游产业 目前我国传感器在汽车电子、工业制造、网络通信、消费电子及医疗电子中应用较为广泛。其中传感器在汽车电子领域中占比最高，达24．2%；其次在工业制造领域，占比为21．1%，排第二。 汽车电子是用传感器、微处理器、执行器、数十甚至上百个及其零部件组成的电控系统，是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称，主要是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。 近年来随着汽车智能化和电动化趋势的影响以及政策的推动，汽车电子广泛应用于汽车各种领域中，使得我国汽车电子市场的快速成长，渗透率不断提升。有相关数据显示，2020年我国后倒车雷达渗透率为86．25%，中控屏幕渗透率为85．57%，驻车影像系统渗透率为78．50%，巡航系统渗透率为72．58%，前倒车雷达的渗透率为37．46%，倒车车侧预警系统的渗透率为13．54%，并线辅助的渗透率为20．79%。同时占整车的比重快速增长。2020年我国汽车电子占整车的比重从1980年的10%增长到了34．32%。预计在互联网、娱乐、节能、安全四大趋势的驱动下，汽车电子化水平将持续增长，到2030年汽车电子占整车制造成本的比重将接近50%。 随着渗透率不断提升，我国汽车电子市场规模也保持稳定增长态势。数据显示，2021年我国汽车电子市场规模达1104亿美元，同比增长7．3%。其中动力控制系统占比最多，占整体市场的28．7%；其次为底盘与安全控制系统，占比为26．7%。 近年来，随着我国各级政府高度重视不断重视通信行业发展，我国通信行业发展较为迅速。进入2021年，进一步推进网络强国和数字中国建设，5G和千兆光网等新型信息基础设施建设覆盖和应用普及全面加速，行业发展质量和增长水平进一步提升。数据显示，2021年电信业务收入累计完成1．47万亿元，比上年增长8．0%，增速同比提高4．1个百分点。 二、 传感器行业发展概况 （一）传感器全球发展概况 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映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。随着传感器的智能化发展，MEMS等技术将成为传感器制造的主要技术。 （二）传感器全球市场情况 近年来，全球传感器市场一直保持快速增长，随着经济环境的持续好转和新兴技术的不断成熟，市场对传感器的需求不断增多。根据赛迪顾问的统计，2020年，全球传感器市场规模近1，606亿美元，同比增长约6%，预计2023年将增长至2，032亿美元，年复合增长率约为8%以上。 传感器有多种分类标准，如被测量、技术原理、敏感材料、应用领域、使用目的等。例如，按照被测量，可分为压力传感器、加速度传感器、温湿度传感器、流量传感器、光电传感器等。 （三）传感器国内市场情况 对于国内市场，随着国家政策支持、科技水平提升及物联网的兴起，近年来我国传感器技术水平和市场规模迅速提升。根据赛迪顾问的统计，2020年，中国传感器市场规模近2，510亿元，同比增长约15%。预计2021年市场规模将达到2，952亿元，同比增长约17%。 三、 MEMS（含传感器）行业情况 （一）MEMS技术行业情况 MEMS（全称MicroElectromechanicalSystem）即微机电系统，是一种利用集成电路（IC）制造技术和微结构加工技术把微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统，其尺寸约为几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。MEMS是一个多学科交叉的前沿性研究领域，涉及了物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。 MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的新技术，最早可追溯到1987年美国，当年伯克利加州大学发明的微马达被认为是MEMS技术的开端。1993年ADI的微加速度计产品大批量应用于汽车防撞气囊，MEMS正式走入产业化阶段。20世纪90年代MEMS技术快速发展，围绕深槽蚀刻技术发展出多种加工工艺，微镜、喷墨打印头等MEMS产品不断涌现。2007年以后，以智能手机为代表的消费电子产品大量应用MEMS传感器，惯性传感器、磁力计、光学MEMS、射频MEMS等应运而生。近年来，物联网的发展不断推动MEMS技术进步，MEMS集成化、智能化是未来发展趋势。 （二）MEMS传感器行业情况 MEMS传感器即运用了MEMS技术的传感器。与传统传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大规模生产等优点，MEMS内部一般在微米甚至纳米级别，使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 MEMS传感器由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入信号通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的或/和数字的）后，由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其他的微系统进行通信。 在封装方面，相较于普通IC封装，MEMS传感器产品的封装更庞大、更复杂、更困难。首先，相较于普通IC较为温和的工作环境，MEMS传感器常处于高压力、强振动、高温度、高湿度等恶劣环境之中，因此要求封装结构与封装材料能适应各种复杂的工作环境，对封装技术要求较高。其次，由于MEMS传感器需要感知外部世界，在封装过程中需要提供让芯片敏感区与外界环境交互作用的通道，因此相较于普通IC的封装，MEMS封装还需保证芯片敏感区与外界环境充分交互作用。同时，MEMS封装还需要保护芯片敏感区不因两者间的交互作用产生性能恶化，保持其性能稳定。由于以上两点需同时满足，这对封装技术而言是一个挑战。此外，由于MEMS制造工艺的多样性、结构的复杂性以及应用环境的多样性，使得MEMS封装技术难以像普通芯片封装技术一样实现规范化与标准化，无法采用统一的封装形式与封装工艺，因此对封装技术提出了更高要求。 在测试方面，与传统IC不同，MEMS传感器产品的非标准化特性明显，即使同类型传感器的测试方法、测试设备也可能存在差异，因此具备更高的测试难度。综上，在MEMS传感器产品的量产化过程中，封装与测试是最重要的环节，其所占的成本比重已经越来越大。根据赛迪顾问统计，封装测试的成本往往占据产品成本的大半，甚至超过70%。 （三）MEMS（含传感器）行业发展概况 1、全球MEMS行业发展概况 随着物联网时代到来，传感器将作为基础设施得到先行发展。传感器的应用已渗透进各行各业，如消费电子、医疗诊断、工业自动化、汽车电子、环境监测、交通运输、资源开发等。根据国外权威机构Statista的测算，2020年MEMS传感器市场规模为149亿美元，同比增长5．7%。 随着MEMS产业化浪潮的推进，预计到2026年，MEMS传感器的市场规模将实现突破性增长。Statista预计MEMS传感器市场规模将达到269亿美元，年复合增长率为10．34%。 2、中国MEMS行业发展概况 从全球产业竞争格局来看，全球MEMS销售收入以亚太地区为主，主要系亚太地区是消费电子、汽车和工业领域的主要市场，对于MEMS的需求规模较大，其次为北美地区。 目前，随着下游行业的迅速发展，国内MEMS的市场应用正处于快速增长阶段，中国已经成为全球MEMS市场发展最快的地区。根据赛迪顾问统计，近几年MEMS市场规模增长均保持在20%左右，即使2020年受新冠疫情影响，我国MEMS行业规模仍达到736．70亿元，增速达到23．2%，远高于同年国内GDP增速。赛迪顾问预计，2022年市场规模将突破1，000亿元，并且未来仍会以20%左右的速度持续增长。 （四）MEMS行业市场结构 1、MEMS行业的产品结构 从2020年全球MEMS行业的产品结构来看，射频、压力、麦克风、加速度、陀螺仪和惯性组合是目前应用最为广泛的器件。其中，行业产品涉及的压力传感器、加速度传感器在MEMS行业占比达到14．3%和10．5%。 2020年中国MEMS行业的产品结构与全球类似，根据赛迪顾问发布的数据显示，2020年国内射频MEMS产品、压力传感器、麦克风、惯性组合、加速度计占比较高。其中MEMS压力传感器是将压强信号转化为电信号的压力测量器件，受益于其体积小、重量轻、功耗低等特点，广泛应用于汽车、航空航天、工业控制、消费电子和医疗保健领域。 伴随着物联网的迅速发展，下游客户对MEMS压力传感器和加速度传感器的需求将不断增加。行业产品涉及的压力传感器在MEMS行业占比达到19．2%，根据YoleDevelopment预测，2025年其全球市场规模可达约20亿美元。此外，随着工业智能的快速发展和的实施，航空航天、轨道交通、冶金制造等工业领域对于MEMS温度、湿度、加速度等传感器的需求也将迅速增长。 2、MEMS行业的应用领域结构 从MEMS的应用领域结构来看，过去MEMS主要用在家电和消费领域，占比超过50%。如今，伴随着MEMS行业市场规模的整体扩大，汽车、工业、医疗的新兴应用领域也正在蓬勃发展，2022年，工业领域的MEMS应用规模将由2018年的50．53亿元增长至114．87亿元。 按照产品应用领域，行业的MEMS传感器产品主要应用于航天、航空、兵器、轨道交通、工程机械、冶金、能源等行业。根据赛迪顾问的数据显示，2020年工业领域的MEMS市场规模为73．67亿元，已经发展成为MEMS行业的重要分支。 3、MEMS行业的区域结构 在政策鼓励下，中国MEMS产业迅速向全国地区渗透，已在长三角和京津冀地区建立完整的产学研布局。从企业数量和分布来看，2020年我国MEMS制造企业大约有200家，大多属于初创类中小型企业，主要集中在长三角地区，并逐渐形成以北京、上海、深圳等中心城市为主的区域空间布局。除以上重点区域外，泉州、郑州、武汉、重庆也都在进行产学研紧密结合的模式，在地方政府支持和企业的带动下，国内MEMS产业发展已经开始全面升温。 四、 磁传感器综述 传感器是将现实世界的信号转化为数字世界信号的装置，是数字世界信号处理的起