智能环境传感器：中国的曙光？

文︱立厷

图︱网络

沈阳爆炸让人们的关注焦点再次集中于传感器，因为在很多应用领域，传感器都与安全息息相关。

2020年6月，有文章指出：“你以为我们只有芯片不行吗？其实我们传感器更落后！一直靠着国外的产品来进行，它的缺失比芯片这个还要多。如此的靠着进口，让国内有更惨败的局面。”

此番论点，相信做传感器的企业一定不会苟同，因为不管怎样，在Yole Développement的《气体和粒子传感器：技术和市场趋势2021》报告中，赫然在列的就有中国的企业——汉威科技和炜盛电子，占比虽不高（加起来4%），但也不在“other”之列。事实上，炜盛电子是汉威科技的子公司。 

环境传感器包括气体传感器和粒子传感器，在室内空气管理领域日渐流行胜。Yole预计2026年，两者的总价值将从2020年的12亿美元增至22亿美元，复合年增长率为10.9%。车辆仍是大多数气体传感器应用的大户，消费市场也在加速嗅觉数字化。

分析表明，气体传感器市场势头强劲，预计2026年收入将达到18亿美元，复合年增长率为10%。粒子传感器市场同期表现为16.3%，预计在2026年达到4.07亿美元。消费市场推动了气体传感器的增长，复合年增长率为39.4%。 

在Yole的技术与市场分析师Dimitrios Damianos博士看来：“已经非常成熟的汽车动力总成、工业和HVAC市场仍占主导地位，有约80％的气体和粒子传感器销量来自于此。但消费应用似乎已做好准备起飞，这要归功于智能家居和可穿戴设备的发展。”

HVAC（包括家用空气净化器）、交通空气舒适度复合年增长率分别为18%和15.6%，机会空前；医疗、环境、国防和工业安全等其他市场比较传统，主要受到利基机会推动。

Yole传感与致动团队首席分析师Jerome Mouly认为：“在室内空气管理领域，气体和粒子传感器等环境传感器的表现越来越有趣。”他说：“我们呼吸的空气质量是关乎人们健康和安全的一个全球性问题。世界卫生组织称，每年有420万例死亡与污染问题和暴露于有毒或危险气体相关。污染成本对经济也会产生显著影响，世界银行估算为全球GDP的4.8%。”事实上，新冠疫情让人们对室内空气的监测更加关注。研究表明，人们呼出的气溶胶粒子在空气中的存量与气溶胶所携带病毒的可能传播之间存在相关性。

汽车制造商仍然是气体传感器的主要使用者，市场份额超过55%。博世仍然是22%全球市场份额的领导者。过去两三年里，行业围绕提供固态气体传感器解决方案的参与者建立了生态系统，市场再次表明了对小型、低功耗、基于电池应用的新市场的多样化兴趣。

2010年全球传感器产业规模721亿美元，去年已达2580亿美元，增长速度大大高于全球GDP。在传感器占比中，最大的是图像传感器，第一的索尼，第二是三星，第三是被国内韦尔半导体160亿美元收购的豪威（OmniVision）；第二大占比是MEMS，包括手机常用的加速度陀螺仪、高度计，还有一些工业用压力传感器，然后是射频、雷达。气体传感器产业规模只占总体份额2%左右，是未来具有发展潜力的领域。

供应链方面，气体传感器市场由5家公司主导，其收益在总市场份额中占比达70％。5家公司是博世、德尔福、NGK/NTK（日本特殊陶业株式会社）、电装和霍尼韦尔。博世在气体及MEMS等很多传感器领域都排名靠前；霍尼韦尔旗下有4个品牌气体传感器；此外，还有大量公司进入该产业。

在粒子传感器产业的竞争格局中，有3大领先公司脱颖而出：夏普在出货量方面仍然领先，攀藤科技出货量紧随其后，收益达到近2000万美元。攀藤是2014年在北京成立的初创公司。瑞士盛思锐（Sensirion）很有意思，一个企业基本上代表了一个行业，技术方面是全球绝对的第一，但是占比特别少，仅为1%，它有望在未来几年成为重要玩家。

在半导体和MEMS领域，知名公司通过收购加强了其技术知识或市场准入能力：瑞萨收购了IDT；盛思锐最近收购了MEMS气体分析公司Qmicro；ams还通过一家合资企业重组了其气体传感器业务。这些公司正将自己定位于汽车座舱舒适性、家用通风甚至家用电器和消费设备市场。此外，英飞凌和TDK也将加入气体传感器市场，将新的解决方案商业化。

MOS（金属氧化物半导体）和NDIR（非色散红外）技术已在家用应用中得到证实，如空气净化器、智能家庭空气监测，甚至是汽车驾驶室。二氧化碳、氮氧化物或挥发性有机化合物等气体是这些技术的主要目标。不过，MOS技术缺乏选择性，NDIR传感器体积庞大，一直阻碍着MOS和NDIR传感器的采用。2020年，这两种技术加起来占市场份额大约四分之一。预计到2026年，这一比例将增长到41%，这要归功于新兴应用和更具选择性和更小尺寸的技术进步。MOS和NDIR有望蚕食电化学探测器的历史市场份额。在粒子传感器领域，向光散射光学检测的过渡已经开始。特别是，这意味着使用激光源代替LED，从而可以更好地测量更高浓度和更小尺寸的粒子。

人工智能正嵌入到某些新的传感器中，新的应用可以受益于数字嗅觉测量技术的进步，包括食品安全或疾病早期检测等应用，甚至有利于自主和共享交通的舒适性。为此，一些公司如博世、TDK正在推广环境组合，而Ayballe，AlphaMOS则在推进用于数字嗅觉的电子鼻开发，不仅可测量气体，还可以测量更复杂的气味。

气体与粒子传感器在不同的开发阶段都面临着许多相同的挑战。气体传感器的主要改进是小型化和低功耗，而且会出现更多组合湿度、温度、压力与气体检测功能的传感器，如四合一、多阵列产品。

传感器类型很多，检测原理不尽相同。汉威科技集团研究院副院长刘建钢解释说，从检测原理来说，气体传感器第一类是电化学类，占比70%以上，还有NDIR传感器、MOS传感器、PID（光离子）和超声波传感器等。环境传感器包括气体传感器、热电堆传感器、热电和人体感应以及温湿度传感器。其中气体传感器采用独有的核心气敏材料配方，可用于检测VOC（挥发性有机化合物）、乙醇、甲醛、可燃气、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳、氨气、臭氧等多种气体。

据介绍，尽管目前国内一些头部传感器厂商在全球占比较小，但产品种类比较器齐全，也掌握了最多的原理，包括电化学、催化、红外、半导体和MEMS等。MEMS气体传感器的研发投入高达几千万元，2016年国内已有MEMS技术配合专用ASIC的智能传感器，性能上比原来有很大提升。2020年歌尔和汉威科技的智能气体传感器还双双获得了国家奖。

像前面提到的国内传感器厂商都是从最前端的传感器材料做起，如材料的合成、配方，然后实现整体设计、封装测试和应用方案，都是一条龙业务。一些企业跟学术科研界有广泛的合作，如清华大学人工智能实验室、北京大学材料科学与工程学院，还有中科院的几个所。

竞合关系中的开放心态也很重要，一些企业在技术和产品方面都有合作，像汉威每年采购同行的产品也很多，甚至是某类产品国内最大的采购商。

在应用方面，第一就是安全，如家用和商用燃气泄漏检测，以及市政管道类密闭空间气体泄漏检测，在该领域国产传感器占比最大。商用一般是防爆，对传感器的要求比较高，需要联网功能。这类传感器一般会嵌入到管道中实现巡检。2005年是用小推车，每人一天也巡检管道几十公里，现在开着新研发的激光遥测车做管路巡检，每小时跑几十公里，相当于原来一个工人一天的工作量，为市政部门节省了大量人力。

安全之后就是健康用的环境检测传感器，如家用甲醛、粉尘、二氧化碳、VOC，在甲醛、VOC方面国产传感器也是行业第一。商业应用主要是空调用二氧化碳、一氧化碳、甲醛、甲苯，包括氡气检测。

今年4月，日本出台法律，支持当地购买二氧化碳检测仪，以检测室内环境是否通风良好，避免新冠病毒在空气比较密闭的环境传播。其检测指标就是二氧化碳。这也为相关厂商带来了业绩的巨大增长，甚至一度交不了货。在空气净化器、新风机方面，目前国内销量为500-700万台左右，全球大约2000万台。

有了安全、健康，就会有更高的追求，这就是汽车，首当其冲的是汽车空气质量检测，如一氧化碳、二氧化碳、甲醛；还有面向新能源汽车的锂电池安全检测、氢气泄漏检测，以及油改气压缩天然气检查模块，这些方面国产传感器都已进入了前装。此外，还有危化品检测，集成半导体和电化学优势的传感器应用特别看好。

国内一家头部传感器厂商的老总对未来给出了以下预测：气体传感器有13个发展趋势，包括数字化、网络化、智能化、多功能、小体积、低功耗、低成本、高精度、高可靠性等。他认为，国际大厂的一些案例值得好好研究，如博世的BME680空气质量传感器，一个小小的传感器中集成了气体、温度、湿度、气压四种参数；另一个是盛思锐的SGP40室内空气质量传感器，它是一个4阵列器件。他表示，后年将推出类似的产品。

在智能化方面，在传统热电堆中集成一个专用信号调理芯片，就可以直接输出数字实现信号调理、处理、校准和自诊断，考勤机、工业检测，甚至额温枪、体温枪，还有其他很多创新应用的可以采用。原来的传感器是非智能的，客户设计电路、做校准都很麻烦，限制了创新。智能传感器拿过来直接供电就可以读出想要的一些物理参数，应用很方便，解决了很多行业问题，使产品精度、灵敏度、可靠性得到很大提升，体积和功耗也有所下降。

又如智能热释电传感器，其原理是在PET厚膜下做了一个信号调理芯片，特殊之处是输出阻抗比常用芯片高两三个数量级。像小米的感应灯、一些报警器、草坪灯都有应用，可以实现人来灯亮，人走灯灭。而且这种传感器很便宜，1块钱左右就可以实现很多创新应用。 

他表示，温度传感器的发展趋势也很明显，首先是体积不断缩小，从以前的3mm×3mm到2.5mm×2.5mm，今年盛思锐的SGP40已经做到1.5mm×1.5mm。其次是成本已由原来的60元左右做到现在的四五块钱；引脚间距0.5mm×0.5mm，大了一点，工艺性更好，工作电压也更宽。

这位老总说，现在他的公司是一个平台，两种原理，八种物理量，200多种产品。即：一个传感器技术平台；物理化学两种检测原理；气体、温湿度、环境光、PM2.5、压力、流量等八种物理量；200多种产品的支撑材料包括有机、无机、物理、化学，传感芯片包括CMOS、厚膜、薄膜、MEMS、陶瓷，再配合整体设计和封测，形成了比较完整的应用平台，还可据此开发很多种产品，不仅适用于气体环境，还适用于压力、振动、射线、流量等一些应用领域。

在青岛刚刚闭幕的中国智能传感器产业大会上，中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生以“高、小、散、多、缺、难”六个字总结了当前国内产业面临的问题。他指出，高技术含量、高技术指标与紧缺的自主技术、紧缺的领军人才、松散的产业分布、较小的企业规模、有限的产品产量之间的矛盾十分突出。

通过以上市场和技术趋势分析可以看出，我国传感器行业要彻底摆脱这六个字难度很大，但依托已有技术，实现局部突破是有可能的，特别是从设计、制造、封装测试到设备材料形成支撑自主可控的供应链，打造中国传感器产业的汇聚集群。因为毕竟传感器技术没有像处理器等半导体芯片要求那么高的工艺和设备，投入也少得多。