在當(dāng)今高度信息化的社會中，傳感器作為連接物理世界與數(shù)字世界的橋梁，扮演著至關(guān)重要的角色。它們不僅在工業(yè)自動化、汽車制造、消費(fèi)電子等領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用，還在醫(yī)療健康、航空航天等高端應(yīng)用中展現(xiàn)出不可或缺的價值。接下來，道合順傳感將介紹幾種關(guān)鍵類型的傳感器——壓力傳感器、慣性傳感器、磁傳感器以及麥克風(fēng)，分析它們的工作原理、技術(shù)發(fā)展趨勢以及在全球市場中的應(yīng)用現(xiàn)狀。
1、壓力傳感器
根據(jù)工藝和工作原理不同分為MEMS 壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、濺射薄膜壓力傳感器、微熔壓力傳感器、傳統(tǒng)應(yīng)變片壓力傳感器、藍(lán)寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器、光纖壓力傳感器和諧振壓力傳感器。
1）MEMS 技術(shù)
MEMS 壓力傳感器量程一般在 1kPa～100MPa 之間，具有小型化、可量產(chǎn)、易集成等優(yōu)點，市場需求量最大、應(yīng)用領(lǐng)域最廣，是智能壓力傳感器的重要載體。
MEMS 壓力傳感器技術(shù)現(xiàn)在已較為成熟，基本可以分為壓阻式和電容式兩類，據(jù)推斷該領(lǐng)域不會出現(xiàn)較大的技術(shù)突破，主要是漸進(jìn)式的技術(shù)改進(jìn)，像所有半導(dǎo)體產(chǎn)品一樣，微型化是重要發(fā)展方向。
典型應(yīng)用主要包括汽車電子，如汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)等，智能手機(jī)、無人機(jī)、可穿戴設(shè)備的高度計（氣壓計），石油、電力、軌道交通工業(yè)過程控制和狀態(tài)監(jiān)測壓力傳感器，航空航天氣流壓力檢測等。
根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2018-2026 年全球 MEMS 壓力傳感器市場規(guī)模從 18.60 億美元增 長至 23.62 億美元，年均復(fù)合增長率為 3.03%；出貨量從 14.85 億顆增長至 21.83 億顆， 年均復(fù)合增長率為 4.93%。
▲圖表來自歌爾微招股書
汽車電子是 MEMS 壓力傳感器最大的應(yīng)用市場，據(jù)估計國內(nèi)每年需求量達(dá)到數(shù)億只，其中動力傳動系統(tǒng)應(yīng)用占壓力傳感器總量的 50%以上，安全系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)等也用到較多的壓力傳感器。當(dāng)前在節(jié)能減排和自動駕駛的需求驅(qū)動下，壓力傳感器在汽車的燃油蒸發(fā)排放系統(tǒng)、柴油顆粒過濾器等用量激增，這一市場需求在中國尤其強(qiáng)烈。
由于智能手機(jī)和平板電腦的迅速普及，消費(fèi)電子已成為壓力傳感器的第二大應(yīng)用市場，據(jù)估計國內(nèi)每年需求量也達(dá)到數(shù)億只，但大多依賴進(jìn)口，隨著近些年 MEMS 壓力傳感器成本和功耗的降低，其在可穿戴設(shè)備、無人機(jī)和智能家居等領(lǐng)域需求迅速擴(kuò)大。
在醫(yī)療與工業(yè)市場，MEMS 壓力傳感器保持中等的增長速度，但有一例外是新型醫(yī)用智能吸入器(medical smart inhalers，介于醫(yī)療電子市場與消費(fèi)電子市場之間)，為未來醫(yī)療消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展鋪平了道路。航空電子與高端應(yīng)用雖然是小眾市場，但得益于動態(tài)飛行器(the dynamic aircraft) 與 MEMS 技術(shù)的大力發(fā)展，目前也顯示出較快的增長速度。
在不同的應(yīng)用行業(yè)，MEMS 壓力傳感器的競爭態(tài)勢不盡相同，市場份額最大的汽車電子與消費(fèi)電子應(yīng)用中，主要廠商都是大型集團(tuán)。
汽車電子市場常采用垂直整合方式提高效益，而消費(fèi)電子市場由于太小且分散的特點，沒必要采取這種方式，競爭態(tài)勢基本分為三個層次：
博世(Bosch)是最具重量級的領(lǐng)導(dǎo)者，集聚了這兩個應(yīng)用市場的所有產(chǎn)品的產(chǎn)量，形成了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，降低了成本，這是其最大的競爭優(yōu)勢。
其他大型廠商如英飛凌(Infineon)、森薩塔(Sensata)、電裝(Denso)、邁來芯(Melexis)等只專注在汽車電子市場，而意法半導(dǎo)體(ST Microelectronic)與阿爾卑斯電氣(ALPS)只專注在消費(fèi)電子市場。泰科電子(TE Connectivity)與恩智浦（NXP）同時參與這兩大應(yīng)用的競爭。
在工業(yè)、醫(yī)療、航空電子與高端應(yīng)用市場，主要競爭對手比較相似，大多數(shù)廠商都會采取進(jìn)入多個細(xì)分市場和加入增值模塊來擴(kuò)大自己的業(yè)務(wù)及提升競爭力。也有少數(shù)公司只專注在航空電子及高端市場領(lǐng)域，如美國的庫力特(Kulite)。
2）其他技術(shù)
從產(chǎn)品用量來看，陶瓷壓力傳感器是除 MEMS 壓力傳感器外用量最大的種類，耐腐蝕的優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于汽車電子和工業(yè)電子，如汽車的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、柴油尿素包，工業(yè)制冷系統(tǒng)等，國內(nèi)年需求量約為數(shù)千萬只。
濺射薄膜壓力傳感器和微熔壓力傳感器環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，主要用于汽車電子和工業(yè)電子。
傳統(tǒng)應(yīng)變片技術(shù)制作的壓力傳感器逐漸被 MEMS 技術(shù)和濺射薄膜技術(shù)所取代，但由于具備形狀可變靈活應(yīng)用的特點，目前在計量等一些有特殊要求的領(lǐng)域仍在使用。
藍(lán)寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器、光纖壓力傳感器和諧振壓力傳感器具備耐高溫、耐惡劣環(huán)境等強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，一般多用于國防軍工、航空航天、石油勘探等領(lǐng)域，國內(nèi)主要廠商集中在相關(guān)高校與科研院所。
2、慣性傳感器
慣性傳感器是一種運(yùn)動傳感器，主要用于測量物體在慣性空間中的運(yùn)動參數(shù)。慣性傳感器依據(jù)敏感量的不同分為加速度計和陀螺兩大類。
慣性傳感器市場最早由國防、航空航天等慣性導(dǎo)航應(yīng)用推廣而來，按照測量精度可分為高端應(yīng)用市場和低端應(yīng)用市場。
低端應(yīng)用市場產(chǎn)品特點是價格較低、用量較大、性能要求較低，主要包括消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)自動化等；高端應(yīng)用市場產(chǎn)品特點是精度要求較高、價格較貴、用量較小等，主要包括，國防和商業(yè)航天等軍用級和宇航級電子產(chǎn)品，如導(dǎo)彈、火箭導(dǎo)航，飛機(jī)、導(dǎo)彈飛行或姿態(tài)控制，潛水艇、軍艦等姿態(tài)控制等等。
目前高端慣性系統(tǒng)市場迎來許多新機(jī)遇，包括機(jī)器人、工業(yè)自動化、自動/無人駕駛汽車、船舶、飛機(jī)和無人機(jī)、結(jié)構(gòu)監(jiān)測、可重復(fù)使用航天運(yùn)載器和微型衛(wèi)星等。預(yù)計這些應(yīng)用將使得高端慣性市場保持長期增長。
1）加速度計
加速度計按照自由度分為單軸、雙軸、三軸加速度計，其中三軸加速度計市場占有率最高，加速度計和陀螺儀、磁力計多組合應(yīng)用（加速度計與陀螺儀組合構(gòu)成慣性測量單元，加速度計、陀螺儀和磁力計組合構(gòu)成電子羅盤），以達(dá)到集成化、多功能的運(yùn)動檢測。
加速度計的主要類型有 MEMS 加速度計、石英撓性加速度計、壓電加速度計和光纖加速度計。
MEMS 加速度計是智能加速度計的主要實現(xiàn)形式，占據(jù)了最大的市場份額，其中消費(fèi)電子是最大的應(yīng)用市場，預(yù)估年用量在數(shù)十億只左右，廣泛用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備的方向顯示、運(yùn)動檢測，AR/VR設(shè)備的人體運(yùn)動軌跡捕捉，無人機(jī)的導(dǎo)航與運(yùn)動檢測等。
MEMS 加速度計在汽車的慣導(dǎo)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、防抱死剎車系統(tǒng)中也有著大量需求，年需求量億只以上。尤其在自動駕駛解決方案中，需要將慣性測量單元（由加速度計和陀螺儀組成）和 GPS 等絕對定位系統(tǒng)融合使用，一方面可驗證 GPS 定位結(jié)果的自洽性，另一方面可在 GPS 信號消失的區(qū)域繼續(xù)提供持續(xù)若干秒的亞米級定位精度，為自動駕駛汽車爭取寶貴的異常處理時間，是自動駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線。
壓電式加速度計具有測量范圍廣、耐高溫、高頻響等特點，主要用于工業(yè)過程測量控制、振動試驗設(shè)備監(jiān)測、航空航天發(fā)動機(jī)監(jiān)測等。
光纖加速度計的主要特點是一根光纖可布設(shè)多點，成本大大降低，目前國內(nèi)技術(shù)已能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
石英撓性加速度計能達(dá)到較高的精度和穩(wěn)定性，主要應(yīng)用在國防軍工、航天航空的慣導(dǎo)制導(dǎo)等系統(tǒng)。
2）陀螺儀
陀螺按照工作原理和結(jié)構(gòu)特點分為 MEMS 陀螺、光纖陀螺、激光陀螺、壓電陀螺、半球諧振陀螺等。
同加速計類似，MEMS 陀螺是智能化陀螺儀的主要實現(xiàn)方式，它的精度雖然不如光纖陀螺、激光陀螺等高端產(chǎn)品，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，易于批量生產(chǎn)，非常適合手機(jī)、汽車、醫(yī)療器材等需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。
光纖陀螺、激光陀螺、壓電陀螺、半球諧振陀螺等高精度陀螺用量小、成本高，主要用于國防軍工、航空航天等高端慣性領(lǐng)域，幾種技術(shù)間競爭較為激烈。陀螺儀能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、加速度等信號，以便駕駛員或自動導(dǎo)航儀控制飛機(jī)、艦船等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則可直接利用這些信號完成航行體姿態(tài)控制和軌道控制。
在傳感器中陀螺儀屬于技術(shù)門檻較高的產(chǎn)品，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資成本高，產(chǎn)品研發(fā)工作主要集中在高校和科研院所，國內(nèi)具有自主設(shè)計能力并實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)較少。
3、磁傳感器
磁傳感器是通過感測磁場強(qiáng)度、磁場分布、磁場擾動等來精確測量電流、位置、方向、角度等物理參數(shù)，廣泛用于消費(fèi)電子、現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、汽車和高端信息化裝備中。
磁傳感器主要實現(xiàn)技術(shù)包括霍爾技術(shù)(Hall Technology)、各項異性磁阻技術(shù)(AMR Technology)、巨磁阻技術(shù)(GMR Technology)、隧道結(jié)磁阻技術(shù)(TMR Technology)等。
目前市場上主要的磁傳感器芯片是基于霍爾效應(yīng)（全球市場占有率 70%）開發(fā)的。XMR 技術(shù)最大的優(yōu)勢是高靈敏度及精準(zhǔn)度。
傳統(tǒng)基于霍爾技術(shù)的磁傳感器市場的大型廠商，如AKM 、Allegro、Melexis、TDK、Diodes、Honeywell 等都在將 XMR 技術(shù)用于各自的產(chǎn)品中， 并推動 XMR 發(fā)展，市場占有率有望從 2016 年的 27%發(fā)展到 2022 年的31%。霍爾技術(shù)目前仍然非常有效，由于成本較低，仍然是市場上大多數(shù)應(yīng)用的優(yōu)先選擇。
▲磁傳感器技術(shù)發(fā)展歷程與基本原理
總體上看，磁傳感器市場預(yù)計將從 2021 年的 2.6B 美元增長到 2027 年的 4.5B 美元，復(fù)合年增長率為 9% 。（注：此處數(shù)據(jù)為最新替換，數(shù)據(jù)來自Yole）
汽車市場是磁傳感器最大的應(yīng)用市場，傳統(tǒng)的汽油汽車上磁傳感器的用量約為 20～30個，由于混合動力汽車更高的電流控制需求，磁傳感的用量將達(dá)到 35個以上。
磁傳感器可用于位置和速度傳感、開關(guān)控制、電流傳感等，未來隨著自動駕駛汽車可靠性要求的提高，動力總成系統(tǒng)和輔助無刷電機(jī)系統(tǒng)對磁傳感器的可靠性提出了更高的需求。
磁傳感器在工業(yè)控制、交通、智能家居、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用較汽車領(lǐng)域更為分散，且單價更高。
隨著智能手機(jī)市場趨于飽和，用于電子羅盤的磁傳感器近年的銷量也趨于穩(wěn)定，主要應(yīng)用于手機(jī)中的電子地圖與 GPS。但在可穿戴設(shè)備、無人機(jī)、機(jī)器人等新興應(yīng)用領(lǐng)域有著較高的市場潛力。
▲MEMS 磁傳感器市場分布及預(yù)測
國內(nèi)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的 AMR 磁傳感器已有美新半導(dǎo)體有限公司實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，而用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、汽車和高端信息化裝備的 AMR 磁傳感器主要依靠進(jìn)口美國霍尼韋爾、日本村田、德國Sensitec 公司的產(chǎn)品。
國內(nèi)暫無 GMR 磁傳感器制造商，用于高端信息化裝備的 GMR 磁傳感器主要依靠進(jìn)口美國 NVE、德國 Sensitec 公司的產(chǎn)品。
TMR 磁傳感技術(shù)已被國外硬盤巨頭希捷國際、西部數(shù)據(jù)和TDK 三家公司廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭，無論是實驗室研發(fā)還是規(guī)模化生產(chǎn)其技術(shù)成熟性已得到了較為可靠的論證。江蘇多維科技有限公司建有完整的 TMR 磁傳感器芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化平臺，能實現(xiàn)隧道結(jié)材料體系和 TMR 芯片的完全自主設(shè)計及規(guī)?；a(chǎn)。
4、麥克風(fēng)
隨著 Alexa、Cortana、Siri 等智能語音控制功能的出現(xiàn)，麥克風(fēng)在智能終端的需求迅速擴(kuò)大，核心技術(shù)發(fā)展方向包括語音識別、噪聲消除、身份識別等。
麥克風(fēng)實現(xiàn)技術(shù)主要分為兩類，MEMS 麥克風(fēng)和傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)（ECM）。MEMS 麥克風(fēng)憑借微型化、低功耗等特性更好滿足智能手機(jī)、智能音箱、智能耳機(jī)、機(jī)器人等應(yīng)用的語音交互需求。
相比之下，ECM 麥克風(fēng)盡管具有高信噪比、一致性好等特點，但成本優(yōu)勢漸弱，在語音交互普及的浪潮中被替代的趨勢越來越明顯。
2016 年，MEMS 麥克風(fēng)市場接近 68 億元人民幣($1B)，出貨量年復(fù)合增長率(CAGR)為 11.3%。駐極體麥克風(fēng)市場 48 億人民幣($700M)，出貨量年復(fù)合增長率(CAGR)為-2.6%。
麥克風(fēng)的市場規(guī)模及預(yù)測：
▲麥克風(fēng)市場規(guī)模及預(yù)測
根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2018-2026 年全球 MEMS 聲學(xué)傳感器市場規(guī)模從 11.53 億美元增長至 18.71 億美元，年均復(fù)合增長率為 6.24%；出貨量 從 52.98 億顆增長至 111.15 億顆，年均復(fù)合增長率為 9.70%，均呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢。
▲圖表來自歌爾微招股書
全球 MEMS 麥克風(fēng)的主要供應(yīng)商有樓氏電子(Knowles)、 歌爾股份(Goertek)和瑞生科技(AAC)。三家約占全球 MEMS 麥克風(fēng)市場的 70%以上。
在全部智能傳感器種類中，我國 MEMS 麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相對較高。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，全球排名前 30 的傳感器廠商中，中國國內(nèi)僅有歌爾微電子（Goermicro，原歌爾股份分拆的MEMS業(yè)務(wù)子公司，排名第8）、瑞聲科技（AAC，排名21）、高德紅外（Guide IR，排名29）進(jìn)入榜單。歌爾微已超過樓氏電子成為全球最大MEMS麥克風(fēng)企業(yè)。
